DE102022131588A1 - Degradation diagnosis procedure, control unit and power electronics module - Google Patents

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Sven Kalker
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Abstract

Ein Verfahren zur Degradationsdiagnose eines Leistungselektronikmoduls (2) mit einem Halbleiterbauelement (3), das Verfahren aufweisend Bereitstellen eines einen zum Einschalten des Halbleiterbauelements (3) vorgesehenen Großsignalteil enthaltendes Eingangssignals des Leistungselektronikmoduls (2); Aufnehmen eines auf dem Eingangssignal beruhenden Ausgangssignals des Leistungselektronikmoduls, um eine Degradationsdiagnose des Leistungselektronikmoduls (2) zu ermöglichen; und das Eingangssignal enthält einen sinusförmigen Kleinsignalteil.A method for degradation diagnosis of a power electronics module (2) with a semiconductor component (3), the method comprising providing an input signal of the power electronics module (2) containing a large-signal part intended for switching on the semiconductor component (3); receiving an output signal of the power electronics module based on the input signal in order to enable a degradation diagnosis of the power electronics module (2); and the input signal contains a sinusoidal small-signal part.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Steuergerät und ein Leistungselektronikmodul.The invention relates to a method having the features of the preamble of claim 1 as well as a control device and a power electronics module.

Der folgende Hintergrund soll lediglich Informationen liefern, die zum Verständnis des Zusammenhangs der hier offenbarten erfinderischen Ideen und Konzepte erforderlich sind. Daher kann dieser Hintergrundabschnitt patentierbare Gegenstände enthalten und sollte nicht per se als Stand der Technik angesehen werden.The following Background is intended only to provide information necessary to understand the context of the inventive ideas and concepts disclosed herein. Therefore, this Background section may contain patentable subject matter and should not be considered prior art per se.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Leistungselektronik wird in vielen Anwendungen, wie beispielsweise der Verteilung elektrischer Energie oder der Elektromobilität eingesetzt. Jedoch ist der Ausfall von leistungselektronischen Komponenten eines Leistungselektronikmoduls, wie eines Stromrichters, eine der häufigsten Fehlerursachen in modernen Systemen, wie beispielsweise Windkraft- oder Photovoltaikanlagen. Diese Fehler können auf Defekte der Aufbau- und Verbindungstechnik des Leistungselektronikmoduls oder auch auf die Alterung des Halbleiterbauelements an sich zurückgeführt werden. Um eine hohe Zuverlässigkeit in solchen Anwendungen ohne kostspielige Überdimensionierung leistungselektronischer Komponenten sicherzustellen, sind zuverlässige Informationen über den Alterungszustand des Leistungselektronikmoduls notwendig. Hierdurch wird ein sicherer Betrieb des Leistungselektronikmoduls über einen verlängerten Zeitraum ermöglicht, bis eine kritische Alterung erreicht und eine prädiktive Wartung getriggert wird.Power electronics are used in many applications, such as the distribution of electrical energy or electromobility. However, the failure of power electronic components of a power electronic module, such as a power converter, is one of the most common causes of errors in modern systems, such as wind turbines or photovoltaic systems. These errors can be traced back to defects in the construction and connection technology of the power electronic module or to the aging of the semiconductor component itself. In order to ensure high reliability in such applications without costly over-dimensioning of power electronic components, reliable information about the aging state of the power electronic module is necessary. This enables safe operation of the power electronic module over an extended period of time until critical aging is reached and predictive maintenance is triggered.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine einfachere Degradationsdiagnose bei geringerem Aufwand zu schaffen.The invention is based on the object of creating a simpler degradation diagnosis with less effort.

KURZFASSUNGSHORT VERSION

Diese Kurzfassung dient dazu, eine Auswahl von Merkmalen und Konzepten der Erfindung vorzustellen, die weiter unten in der Beschreibung erläutert werden. Diese Kurzfassung soll nicht dazu dienen, wichtige oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch soll sie dazu dienen, den Umfang des beanspruchten Gegenstands zu begrenzen.This summary is intended to introduce a selection of features and concepts of the invention that are discussed later in the specification. This summary is not intended to identify important or essential features of the claimed subject matter, nor is it intended to limit the scope of the claimed subject matter.

Erfindungsgemäß wird die oben genannte Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.According to the invention, the above-mentioned object is solved by the features of the independent claims.

Konkret wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Degradationsdiagnose eines Leistungselektronikmoduls gelöst. Das Leistungselektronikmodul hat ein Halbleiterbauelement. Das Verfahren umfasst Bereitstellen eines Eingangssignals des Leistungselektronikmoduls. Das Eingangssignal hat einen Großsignalteil. Der Großsignalteil ist zum Einschalten des Leistungselektronikmoduls, vorzugsweise des Halbleiterbauelements, vorgesehen. Das Verfahren umfasst Aufnehmen eines Ausgangssignals des Leistungselektronikmoduls, vorzugsweise des Halbleiterbauelements. Das Ausgangssignal des Leistungselektronikmodul beruht auf dem Eingangssignal. Durch das Aufnehmen des Ausgangssignals wird eine Degradationsdiagnose des Leistungselektronikmoduls ermöglicht. Ferner enthält das Eingangssignal einen sinusförmigen Kleinsignalteil.Specifically, the problem is solved by a method for degradation diagnosis of a power electronics module. The power electronics module has a semiconductor component. The method includes providing an input signal of the power electronics module. The input signal has a large signal part. The large signal part is provided for switching on the power electronics module, preferably the semiconductor component. The method includes recording an output signal of the power electronics module, preferably the semiconductor component. The output signal of the power electronics module is based on the input signal. Recording the output signal enables a degradation diagnosis of the power electronics module. The input signal also contains a sinusoidal small signal part.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Voraussetzungen geschaffen werden, eine Degradationsdetektion bzw. Degradationsdiagnose in einem Leistungselektronikmodul mit leistungselektronischen Komponenten, wie einem Halbleiterbauelement, auf einfachere und kostengünstigere Weise durchzuführen. Hierdurch kann eine Lokalisierung möglich gemacht werden, so dass der Alterungszustand einzelner Komponenten des Leistungselektronikmoduls bestimmt werden kann.The invention has the advantage that the prerequisites are created to carry out degradation detection or degradation diagnosis in a power electronics module with power electronic components, such as a semiconductor component, in a simpler and more cost-effective manner. This makes localization possible so that the aging state of individual components of the power electronics module can be determined.

So kann der Großsignalteil des Eingangssignals ein DC-Signal sein, entsprechend einer Gleichspannung bzw. einem Gleichstrom. Der Kleinsignalteil des Eingangssignal kann ein AC-Signal sein, entsprechend einer Wechselspannung bzw. einem Wechselstrom. Das Eingangssignal kann im Wesentlichen aus dem Großsignalteil und dem Kleinsignalteil bestehen. Ein Betrag des Großsignalteils kann größer als 2,5-mal (oder 5-mal oder 7,5-mal) einer Amplitude des Kleinsignalteils sein. Der Betrag des Großsignalteils kann kleiner als 25-mal (oder 20-mal oder 15-mal) der Amplitude des Kleinsignalteils sein. Zum Beispiel kann der Großsignalteil in einem Bereich von 7,5-mal bis 12,5-mal der Amplitude des Kleinsignalteils sein.For example, the large signal part of the input signal can be a DC signal, corresponding to a direct voltage or a direct current. The small signal part of the input signal can be an AC signal, corresponding to an alternating voltage or an alternating current. The input signal can essentially consist of the large signal part and the small signal part. An amount of the large signal part can be greater than 2.5 times (or 5 times or 7.5 times) an amplitude of the small signal part. The amount of the large signal part can be less than 25 times (or 20 times or 15 times) the amplitude of the small signal part. For example, the large signal part can be in a range of 7.5 times to 12.5 times the amplitude of the small signal part.

In einem Beispiel kann der Großsignalteil eine Spannung in einem Bereich von 5V bis 15V (oder 7,5V bis 12,5V) aufweisen. Das Eingangssignal kann dabei eine Spannung in einem Bereich von 3V bis 17V (oder 5V bis 15V) aufweisen. Das Ausgangssignal kann ein zeitlich zum Eingangssignal verschobenes Spannungssignal sein. Eine Amplitude des Ausgangssignals kann größer als eine Amplitude des Eingangssignals sein, zum Beispiel um bis zu 2V (oder 1V oder 0,5V) abweichen.In one example, the large signal part can have a voltage in a range of 5V to 15V (or 7.5V to 12.5V). The input signal can have a voltage in a range of 3V to 17V (or 5V to 15V). The output signal can be a voltage signal that is shifted in time to the input signal. An amplitude of the output signal can be larger than an amplitude of the input signal, for example deviating by up to 2V (or 1V or 0.5V).

Das Leistungselektronikmodul kann eine für hohe Leistungen bzw. Hochspannung/Hochstrom ausgelegte Schaltung sein, wie zum Beispiel ein Gleichrichter, Wechselrichter, Gleichstromsteller, Wechselstromsteller oder Schaltnetzteil. Das Leistungselektronikmodul kann dazu ausgebildet sein, elektrische Energie umzuformen. So kann das Leistungselektronikmodul angewendet werden als Umrichter oder Frequenzumrichter, zum Beispiel im Bereich der elektrischen Antriebstechnik, Solarwechselrichter und Umrichter für Windkraftanlagen zur Netzeinspeisung regenerativ erzeugter Energie oder Schaltnetzteile.The power electronics module can be a circuit designed for high power or high voltage/high current, such as a rectifier, inverter, DC/DC converter, AC controller or switching power supply. The power electronics module can be designed to convert electrical energy. The power electronics module can be used as a converter or frequency converter, for example in the field of electrical drive technology, solar inverters and converters for wind turbines for feeding renewable energy into the grid or switching power supplies.

Das Halbleiterbauelement kann einen Diac, bipolaren Leistungstransistor, Leistungs-MOSFET, Thyristor, GTO-Thyristor, IGC-Thyristor, MC-Thyristor, IGBT, Triac oder Dioden zur Gleichrichtung bzw. Freilaufdioden aufweisen.The semiconductor device can comprise a diac, bipolar power transistor, power MOSFET, thyristor, GTO thyristor, IGC thyristor, MC thyristor, IGBT, triac or diodes for rectification or freewheeling diodes.

Das Leistungselektronikmodulmodul, vorzugsweise das Halbleiterbauelement, kann das Eingangssignal so verändern, dass sich ein von dem Eingangssignal verschiedenes Ausgangssignal mit verändertem Großsignalteil und/oder Kleinsignalteil ergibt.The power electronics module, preferably the semiconductor component, can change the input signal in such a way that an output signal different from the input signal with a changed large-signal part and/or small-signal part is obtained.

Das Kleinsignalteil kann ein kontinuierliches sinusförmiges Signal sein. Das Kleinsignalteil kann spezifiziert sein durch eine Eingangsphaseninformation und eine zugehörige Eingangsfrequenzinformation. So kann der Kleinsignalteil eine Funktion aus Eingangsphaseninformation und zugehöriger Eingangsfrequenzinformation sein. Ebenfalls kann das Ausgangssignal eine Ausgangsphaseninformation und eine zugehörige Ausgangsfrequenzinformation enthalten. Die Eingangsfrequenzinformation kann im Wesentlichen gleich der Ausgangsfrequenzinformation sein, insbesondere einer Frequenzinformation. Insbesondere können Ausgangsphaseninformation und Eingangsphaseninformation bezogen auf die Frequenzinformation einen Phasengang repräsentieren. Zum Beispiel kann aus der Ausgangsphaseninformation und der Eingangsphaseninformation bei zugehöriger Frequenzinformation eine Degradationsdiagnose gestellt werden, insbesondere durch Auswertung des Phasengangs. Ein Amplitudengang aus Ausgangssignal und Eingangssignal, insbesondere Amplitude des Ausgangssignals und Amplitude des Kleinsignalteils, kann hierin vernachlässigt werden. Die Ausgangsphaseninformation kann, vorzugsweise frequenzaufgelöst bei zugehöriger Frequenzinformation, mit einer Soll-Ausgangsphaseninformation vergleichen werden, um die Degradationsdiagnose zu stellen. Die Soll-Ausgangsphaseninformation kann auf einem Soll-Ausgangssignal basieren, das sich durch Bereitstellen eines Soll-Eingangssignals an einem Referenz-Leistungselektronikmodul ergibt. Hierbei kann das Soll-Eingangssignal dem Eingangssignal entsprechen oder zumindest denselben Kleinsignalteil enthalten.The small signal part can be a continuous sinusoidal signal. The small signal part can be specified by input phase information and associated input frequency information. The small signal part can thus be a function of input phase information and associated input frequency information. The output signal can also contain output phase information and associated output frequency information. The input frequency information can be substantially equal to the output frequency information, in particular frequency information. In particular, output phase information and input phase information can represent a phase response with respect to the frequency information. For example, a degradation diagnosis can be made from the output phase information and the input phase information with associated frequency information, in particular by evaluating the phase response. An amplitude response from the output signal and input signal, in particular the amplitude of the output signal and the amplitude of the small signal part, can be neglected here. The output phase information can be compared, preferably frequency-resolved with associated frequency information, with a target output phase information in order to make the degradation diagnosis. The target output phase information can be based on a target output signal that results from providing a target input signal to a reference power electronics module. The target input signal can correspond to the input signal or at least contain the same small signal part.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Der sinusförmige Kleinsignalteil kann ein Chirp sein. Der Chirp kann durch zeitliches Verändern einer Frequenz des sinusförmigen Kleinsignalteils bereitgestellt werden.The small-signal sinusoidal part may be a chirp. The chirp may be provided by varying a frequency of the small-signal sinusoidal part over time.

So kann eine frequenzangepasste Messung durchgeführt werden, um verschiedene Komponenten des Leistungselektronikmoduls auf Degradationen in einem Durchlauf zu überprüfen.In this way, a frequency-adjusted measurement can be carried out to check various components of the power electronics module for degradation in one run.

Der Chirp kann einen Frequenzbereich zwischen 0, 1 mHz und 100Hz aufweisen. Zum Beispiel kann der Chirp eine Frequenz von größer als 0,1 mHz (oder 0,5 mHz oder 1 mHz) aufweisen. Zum Beispiel kann der Chirp eine Frequenz von kleiner als 100 Hz (oder 10 Hz oder 1 Hz) aufweisen.The chirp may have a frequency range between 0.1 mHz and 100 Hz. For example, the chirp may have a frequency greater than 0.1 mHz (or 0.5 mHz or 1 mHz). For example, the chirp may have a frequency less than 100 Hz (or 10 Hz or 1 Hz).

So kann der Chirp Komponentengerecht eingestellt werden, um eine Degradationsdiagnose durchzuführen.This allows the chirp to be adjusted to suit the component in order to perform a degradation diagnosis.

Der Großsignalteil des Eingangssignals kann einen Einschaltzustand des Halbleiterbauelements über die Zeitdauer des Chirps gewährleisten. Der Großsignalteil kann somit sicherstellen, dass sich das Halbleiterbauelement eingeschaltet ist, solange der Chirp in das Leistungselektronikmodul bzw. das Halbleiterbauelement eingespeist bzw. aufmoduliert wird.The large-signal part of the input signal can ensure that the semiconductor component is switched on for the duration of the chirp. The large-signal part can thus ensure that the semiconductor component is switched on as long as the chirp is fed into or modulated into the power electronics module or the semiconductor component.

Somit können effektiv Leitverluste auf das Halbleiterbauelement aufmoduliert und eine einfache Lösung zur Degradationsdiagnose bereitgestellt werden.This allows conduction losses to be effectively modulated onto the semiconductor device and provides a simple solution for degradation diagnosis.

Das Bereitstellen des Eingangssignals kann an einem Steueranschluss des Halbleiterbauelements erfolgen. Hierbei kann ein Eingangsstrom in den Steueranschluss eingeprägt werden oder eine zumindest mit dem Steueranschluss in Verbindung stehende Eingangsspannung, zum Beispiel die Eingangsspannung zwischen dem Steueranschluss und einem Quellenanschluss des Halbleiterelements, bereitgestellt werden. Das Aufnehmen des Ausgangssignals kann an einem Senkenanschluss des Halbleiterbauelements erfolgen. Hierbei kann ein Ausgangsstrom in den Senkenanschluss bzw. von dem Senkenanschluss zu dem Quellenanschluss (oder umgekehrt) aufgenommen werden oder eine zumindest mit dem Senkenanschluss in Verbindung stehende Ausgangsspannung, zum Beispiel die Ausgangsspannung zwischen dem Senkenanschluss und dem Quellenanschluss des Halbleiterelements, aufgenommen werden.The input signal can be provided at a control terminal of the semiconductor component. In this case, an input current can be impressed into the control terminal or an input voltage that is at least connected to the control terminal, for example the input voltage between the control terminal and a source terminal of the semiconductor element, can be provided. The output signal can be received at a sink terminal of the semiconductor component. In this case, an output current can be received in the sink terminal or from the sink terminal to the source terminal (or vice versa) or an output voltage that is at least connected to the sink terminal, for example the output voltage between the sink terminal and the source terminal of the semiconductor element, can be received.

Hierdurch lässt sich eine kostengünstige und einfache Implementierung im Feld bereitgestellt werden.This allows for cost-effective and easy implementation in the field.

Die Begriffe Steueranschluss, Senkenanschluss und Quellenanschluss können entsprechend der Technologie des Halbleiterbauelements Gate, Drain und Source bzw. Basis, Kollektor und Emitter sein. Vorliegend soll aber nicht explizit auf eine spezielle Technologie abgestellt werden.The terms control connection, drain connection and source connection can be gate, drain and source or base, collector and emitter depending on the technology of the semiconductor component. However, in this case, there is no explicit reference to a specific technology.

Das Verfahren kann ferner Bestimmen einer Degradation von einer oder mehreren Komponenten umfassen. Die einen oder mehreren Komponenten können mit dem Leistungselektronikmodul zusammenhängen. Vorzugsweise sind die einen oder mehreren Komponenten Teil bzw. selbst Komponenten des Leistungselektronikmoduls. Das Bestimmen kann durch frequenzaufgelöstes Vergleichen, vorzugsweise innerhalb des Frequenzbereichs, einer Phase des Ausgangssignals mit einer Phase des Eingangssignals durchgeführt werden. Die Phase des Eingangssignals kann der Phase des Kleinsignalteils des Eingangssignals entsprechen.The method may further comprise determining a degradation of one or more components. The one or more components may be associated with the power electronics module. Preferably, the one or more components are part of or are themselves components of the power electronics module. The determination may be carried out by frequency-resolved comparison, preferably within the frequency range, of a phase of the output signal with a phase of the input signal. The phase of the input signal may correspond to the phase of the small-signal part of the input signal.

Die Degradation der mehreren mit dem Leistungselektronikmodul zusammenhängenden Komponenten kann durch Phasenunterschiede zwischen dem Ausgangssignal und dem Eingangssignal in entsprechenden und mit den mehreren mit dem Leistungselektronikmodul zusammenhängenden Komponenten assoziierbaren Frequenzteilbereichen, vorzugsweise innerhalb des Frequenzbereichs, bestimmt werden. Die Frequenzteilbereiche können sich von Komponente zu Komponente der mit dem Leistungselektronikmodul zusammenhängenden Komponenten unterscheiden.The degradation of the plurality of components associated with the power electronics module can be determined by phase differences between the output signal and the input signal in corresponding frequency sub-ranges associable with the plurality of components associated with the power electronics module, preferably within the frequency range. The frequency sub-ranges can differ from component to component of the components associated with the power electronics module.

Vereinfacht ausgedrückt kann das in Betrieb genommene Leistungselektronikmodul einen Phasengang (zwischen Ausgangssignal und Eingangssignal) aufweisen. Der Phasengang im Betrieb, der sich aus dem aufgenommenen Ausgangssignal und dem bereitgestellten Eingangssignal ergibt, kann hier als Betriebsphasengang bezeichnet sein. Der Betriebsphasengang des Leistungselektronikmoduls kann sich von einem Sollphasengang des Leistungselektronikmoduls, z.B. in einem Zustand vor Inbetriebnahme des Leistungselektronikmoduls, unterscheiden. Durch Vergleichen von Betriebsphasengang und Sollphasengang, zum Beispiel Kurvenvergleich zwischen dem Betriebsphasengang und dem Sollphasengang, kann die Degradation (einzelner) Komponenten des Leistungselektronikmoduls bestimmt werden. Zum Beispiel kann eine Degradation einer mit einem vorbestimmten Frequenzteilbereich assoziierten Komponente vorliegen, wenn eine Differenz zwischen Betriebsphasengang und Sollphasengang in dem vorbestimmten Frequenzteilbereich des Frequenzbereichs einen Schwellenwert, zum Beispiel 0,1° oder 0,25°, überschreitet. Der Frequenzteilbereich kann kleiner als 0,2-mal (oder 0,1-mal) der Bandbreite des Frequenzbereichs sein. Beispielsweise können vorbestimmte unterschiedliche Frequenzteilbereiche des Frequenzbereichs mit den Komponenten des Leistungselektronikmoduls assoziiert sein. Wenn die Differenz zwischen dem Betriebsphasengang und dem Sollphasengang in einem oder mehreren der vorbestimmten Frequenzteilbereiche den Schwellenwert überschreitet, kann eine Degradation an den mit den einen oder den mehreren Frequenzteilbereichen assoziierten Komponenten vorliegen.Put simply, the power electronics module put into operation can have a phase response (between the output signal and the input signal). The phase response during operation, which results from the recorded output signal and the input signal provided, can be referred to here as the operating phase response. The operating phase response of the power electronics module can differ from a target phase response of the power electronics module, e.g. in a state before the power electronics module is put into operation. By comparing the operating phase response and the target phase response, for example by comparing curves between the operating phase response and the target phase response, the degradation of (individual) components of the power electronics module can be determined. For example, a degradation of a component associated with a predetermined frequency sub-range can be present if a difference between the operating phase response and the target phase response in the predetermined frequency sub-range of the frequency range exceeds a threshold value, for example 0.1° or 0.25°. The frequency sub-range can be smaller than 0.2 times (or 0.1 times) the bandwidth of the frequency range. For example, predetermined different frequency sub-ranges of the frequency range may be associated with the components of the power electronics module. If the difference between the operating phase response and the desired phase response in one or more of the predetermined frequency sub-ranges exceeds the threshold, degradation may be present at the components associated with the one or more frequency sub-ranges.

Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein Computerprogramm gelöst. Das Computerprogramm umfasst Befehle, die, bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer oder durch ein Steuergerät), den Computer oder das Steuergerät veranlassen, das oben beschriebene Verfahren bzw. mindestens einen der Schritte davon auszuführen. Bei dem Computerprogramm kann es sich beispielsweise um ein Modul zum Starten/Betreiben des Leistungselektronikmoduls, wie hierin beschrieben, handeln.The above-mentioned object is also achieved by a computer program. The computer program comprises instructions which, when the computer program is executed by a computer or by a control unit, cause the computer or the control unit to carry out the method described above or at least one of the steps thereof. The computer program can, for example, be a module for starting/operating the power electronics module as described herein.

Die oben genannte Aufgabe wird auch durch einen Datenträger gelöst. Das Computerprogramm kann auf dem maschinen-, prozessor- oder computerlesbaren Datenträger gespeichert sein, etwa auf einem permanenten oder wiederbeschreibbaren Speichermedium. Dazu gehört auch, dass das Computerprogramm auf einem Server oder einem Cloud-Server zum Herunterladen bereitgestellt werden kann, z.B. über ein Datennetzwerk wie das Internet oder eine Kommunikationsverbindung wie eine drahtlose Verbindung.The above-mentioned task is also achieved by a data carrier. The computer program can be stored on the machine-, processor- or computer-readable data carrier, such as on a permanent or rewritable storage medium. This also includes the fact that the computer program can be made available for download on a server or a cloud server, e.g. via a data network such as the Internet or a communication connection such as a wireless connection.

Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein Steuergerät gelöst. Das Steuergerät dient zur Degradationsdiagnose eines Leistungselektronikmoduls mit einem Halbleiterbauelement. Das Steuergerät ist ausgebildet, ein einen zum Einschalten des Halbleiterbauelements vorgesehenen Großsignalteil enthaltendes Eingangssignal des Leistungselektronikmoduls, vorzugsweise des Halbleiterbauelements, bereitzustellen. Das Steuergerät ist ausgebildet ein auf dem Eingangssignal beruhendes Ausgangssignal des Leistungselektronikmoduls, vorzugsweise des Halbleiterbauelements, aufzunehmen, um eine Degradationsdiagnose des Leistungselektronikmoduls zu ermöglichen. Das Eingangssignal enthält einen sinusförmigen Kleinsignalteil.The above-mentioned object is also achieved by a control device. The control device is used for degradation diagnosis of a power electronics module with a semiconductor component. The control device is designed to provide an input signal of the power electronics module, preferably of the semiconductor component, containing a large-signal part intended for switching on the semiconductor component. The control device is designed to receive an output signal of the power electronics module, preferably of the semiconductor component, based on the input signal in order to enable degradation diagnosis of the power electronics module. The input signal contains a sinusoidal small-signal part.

Das Steuergerät kann als Modul ausgeführt sein, und so in das Leistungselektronikmodul mitintegriert oder angebaut werden. Es können sich so einfache Implementationsmöglichkeiten ergeben, die noch dazu kostengünstig sind.The control unit can be designed as a module and integrated into or attached to the power electronics module. This can result in simple implementation options that are also cost-effective.

Das Steuergerät kann ausgebildet sein, eine an das Halbleiterbauelement abzugebende Leistung basierend auf einem Ergebnis der Degradationsdiagnose, welche basierend auf einem Vergleich von Ausgangssignal zu Eingangssignal durchgeführt wird, anzupassen.The control device may be configured to adapt a power to be delivered to the semiconductor device based on a result of the degradation diagnosis, which is performed based on a comparison of output signal to input signal.

Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein Leistungselektronikmodul gelöst. Das Leistungselektronikmodul hat ein Halbleiterbauelement. Das Leistungselektronikmodul ist ausgebildet, ein einen zum Einschalten des Halbleiterbauelements vorgesehenen Großsignalteil enthaltendes Eingangssignal des Leistungselektronikmoduls, vorzugsweise des Halbleiterbauelements entgegenzunehmen. Das Leistungselektronikmodul ist ausgebildet, ein auf dem Eingangssignal beruhendes Ausgangssignal des Leistungselektronikmoduls, vorzugsweise des Halbleiterbauelements zu übergeben, um eine Degradationsdiagnose des Leistungselektronikmoduls zu ermöglichen. Das Eingangssignal enthält einen sinusförmigen Kleinsignalteil.The above-mentioned object is also achieved by a power electronics module. The power electronics module has a semiconductor component. The power electronics module is designed to receive an input signal from the power electronics module, preferably the semiconductor component, containing a large-signal part intended for switching on the semiconductor component. The power electronics module is designed to transfer an output signal from the power electronics module, preferably the semiconductor component, based on the input signal in order to enable a degradation diagnosis of the power electronics module. The input signal contains a sinusoidal small-signal part.

Das Leistungselektronikmodul kann die Komponenten, wie einen Träger, ein Substrat zur thermischen Anbindung des Halbleiterbauelements an den Träger und einen Kühlkörper aufweisen. Das Halbleiterbauelement kann über eine Lötverbindung mit dem Substrat verbunden sein. Der Kühlkörper kann über eine thermisch leitfähige Schicht mit dem Träger verbunden sein. Das Steuergerät kann ausgebildet sein, die Degradationsdiagnose von mindestens einer der Komponenten des Leistungselektronikmoduls durchzuführen.The power electronics module can have components such as a carrier, a substrate for thermally connecting the semiconductor component to the carrier and a heat sink. The semiconductor component can be connected to the substrate via a solder connection. The heat sink can be connected to the carrier via a thermally conductive layer. The control unit can be designed to carry out the degradation diagnosis of at least one of the components of the power electronics module.

Die oben genannte Aufgabe kann auch durch ein leistungselektronisches System gelöst werden. Das leistungselektronische System dient zur Degradationsdiagnose und hat ein Leistungselektronikmodul, wie oben beschrieben, und ein Steuergerät, wie oben beschrieben.The above task can also be solved by a power electronic system. The power electronic system is used for degradation diagnosis and has a power electronic module as described above and a control unit as described above.

Das leistungselektronische System kann einen integrativen Teil eines Kraftfahrzeugs, einer Photovoltaikanlage oder eines Windrads bilden.The power electronic system can form an integral part of a motor vehicle, a photovoltaic system or a wind turbine.

Somit kann ein vollständiges System als auch modulare Bauelemente dazu bereitgestellt werden, die eine kosteneffizientere Implementierung einer Degradationsdiagnose ermöglichen ohne auf Temperatursensoren zurückgreifen zu müssen.Thus, a complete system as well as modular components can be provided, which enable a more cost-efficient implementation of degradation diagnostics without having to resort to temperature sensors.

Mit anderen Worten betrifft die Erfindung ein neues Verfahren, die verschiedene Degradations- bzw. Alterungseffekte in leistungselektronischen Modulen (auch Leistungselektronikmodul) minimal invasiv und ohne die Verwendung von teuren Sensoren diagnostiziert. Insbesondere kann die sich die Erfindung auf Degradationsdiagnose in Leistungselektronikmodulen durch Detektion der Phasenverschiebung der elektrischen Antwort beziehen. Verschiedene Zustände der Degradation beeinflussen die Phase der Frequenzantwort der thermischen Impedanz an bestimmten Frequenzen. Bei diesen Frequenzen unterscheidet sich deshalb eine Phasenverschiebung zwischen Halbleiterverlusten und Sperrschichttemperatur für verschiedene Degradations-/Alterungseffekte.In other words, the invention relates to a new method that diagnoses various degradation or aging effects in power electronic modules (also power electronics modules) in a minimally invasive manner and without the use of expensive sensors. In particular, the invention can relate to degradation diagnosis in power electronic modules by detecting the phase shift of the electrical response. Different states of degradation influence the phase of the frequency response of the thermal impedance at certain frequencies. At these frequencies, a phase shift between semiconductor losses and junction temperature therefore differs for different degradation/aging effects.

Um die Phasenverschiebung zu nutzen, werden bei bisherigen Verfahren die Halbleiterverluste sowie die Sperrschichttemperatur bestimmt. Dafür werden in den bisherigen Verfahren genaue Verlustberechnungen und Temperatursensoren mit hoher Bandbreite verwendet. Hierbei können temperatursensitive elektrische Parameter (TSEPs) verwendet werden. Diese sind aber meist nicht nur von der Temperatur, sondern unter anderem auch von der Degradation abhängig. Aus diesem Grund kann in bisherigen Verfahren eine Neukalibrierung bei unterschiedlichen Degradationsgraden erforderlich sein.In order to use the phase shift, previous methods determine the semiconductor losses and the junction temperature. To do this, previous methods use precise loss calculations and temperature sensors with a high bandwidth. Temperature-sensitive electrical parameters (TSEPs) can be used here. However, these usually depend not only on the temperature, but also on the degradation, among other things. For this reason, previous methods may require recalibration at different degrees of degradation.

Das hier vorgeschlagene Verfahren kann dagegen eine Information der Phase der thermischen Impedanz nutzen ohne die thermische Impedanz selbst zu bestimmen. Somit kann sowohl auf Temperatursensoren als auch auf Verlustberechnung verzichtet werden. Für die indirekte Bestimmung der Phase der thermischen Impedanz können periodische Leitverluste mit geringer Frequenz, beispielsweise mithilfe einer Kleinsignalmanipulation der Steuerelektrode des Leistungshalbleiters, eingeprägt bzw. aufgeschlagen werden. Zusätzlich kann die Phasenverschiebung zwischen der Verlusteinprägung und einer temperaturabhängigen Spannung (als TSEP), beispielweise die Vorwärtsspannung, gemessen werden. Die Phasenverschiebung kann im Wesentlichen aus einer dynamischen Antwort der thermischen Impedanz resultieren, da die phasenverschobene Sperrschichttemperatur den TSEP beeinflusst. Veränderungen in der Phasenverschiebung können deshalb entsprechende Degradationsarten identifizieren.The method proposed here, on the other hand, can use information about the phase of the thermal impedance without determining the thermal impedance itself. This means that both temperature sensors and loss calculations can be dispensed with. For the indirect determination of the phase of the thermal impedance, periodic conduction losses can be impressed or added at low frequency, for example using small-signal manipulation of the control electrode of the power semiconductor. In addition, the phase shift between the loss impression and a temperature-dependent voltage (as TSEP), for example the forward voltage, can be measured. The phase shift can essentially result from a dynamic response of the thermal impedance, since the phase-shifted junction temperature influences the TSEP. Changes in the phase shift can therefore identify corresponding types of degradation.

In noch anderen Worten können hierin Kleinsignalverluste mit verschiedenen Frequenzen in das Halbleiterbauelement eingeprägt werden. Eine mögliche Implementierung hierfür kann eine Aufmodulierung einer Kleinsignalanregung auf die Gate-Source Spannung eines Transistors als Halbleiterbauelement, zum Beispiel ein SiC MOSFET, sein. Die sich daraufhin einstellende Drain-Source Spannung des SiC MOSFETs ist aufgrund der Abhängigkeit des Einschaltwiderstands von der Gate-Source Spannung ebenfalls mit diesem Kleinsignal überlagert. Zusätzlich kann der Einschaltwiderstand von der Temperatur abhängig sein. Die Temperatur reagiert zeitverzögert auf Änderungen der Leitverluste, was an der Phase der thermischen Impedanz erkennbar ist. Diese Phasenverschiebung zwischen Leitverlusten und Temperaturantwort kann durch verschiedene Alterungsmechanismen, wie beispielsweise Änderung des thermischen Pfads zwischen Halbleiter und Kühlkörper beeinflusst werden. Das phasenverschobene Temperatursignal kann also aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstands des Halbleiterbauelements zu einer Phasenverschiebung zwischen der Gate-Source Spannung und der Drain-Source Spannung führen. Alternativ können auch andere von der Sperrschichttemperatur des betrachteten Halbleiterbauelements abhängige Spannungen oder Ströme betrachtet werden. Änderungen in der Phasenverschiebung zwischen dem Anregungssignal und der temperaturabhängigen Spannung/des temperaturabhängigen Stroms bei bestimmten Frequenzen können auf Degradation im Leistungselektronikmodul hinweisen. Die Frequenzen bei der die Änderung der Phasenverschiebung auftritt, können die Lokalisierung der Degradationserscheinung ermöglichen.In other words, small signal losses with different frequencies can be impressed into the semiconductor component. One possible implementation for this can be a modulation of a small signal excitation onto the gate-source voltage of a transistor as a semiconductor component, for example a SiC MOSFET. The resulting drain-source voltage of the SiC MOSFET is also superimposed with this small signal due to the dependence of the on-resistance on the gate-source voltage. In addition, the on-resistance can depend on the temperature. The temperature reacts with a time delay to changes in the conduction losses, which can be seen in the phase of the thermal impedance. This phase shift between conduction losses and temperature response can be influenced by various aging mechanisms, such as changes in the thermal path between semiconductor and heat sink. The phase-shifted temperature signal can therefore lead to a phase shift between the gate-source voltage and the drain-source voltage due to the temperature dependence of the on-resistance of the semiconductor component. Alternatively, other voltages or currents dependent on the junction temperature of the semiconductor component under consideration can also be considered. Changes in the phase shift between the excitation signal and the temperature-dependent voltage/current at certain frequencies can indicate degradation in the power electronics module. The frequencies at which the change in the phase shift occurs can enable the localization of the degradation phenomenon.

Die Kleinsignalanregung der Gate-Source Spannung eines Transistors als Halbleiterbauelement kann bei Si MOSFETs, IGBTs, und Wide Bandgap Transistoren wie GaN HEMTs und SiC MOSFETs eingesetzt werden. Bei Bipolar-Transistoren als Halbleiterbauelement ist eine Kleinsignalanregung des Basisstroms möglich. Eine mögliche Implementierung kann darin bestehen, dass die sinusförmige Gate-Source Spannung über einen Digital-Analog Wandler (DAC) eingestellt wird, der von einem Mikrocontroller (z.B. als Teil des hierin beschriebenen Steuergeräts) angesteuert wird. Die Spannungsmessung der Gate-Source Spannung und der Drain-Source Spannung kann über einen hochohmigen Spannungsabgriff mithilfe eines jeweiligen Instrumentenverstärkers erfolgen. Die abgegriffenen Spannungen können von jeweiligen Analog-Digital Wandlern (ADCs) in digitale Signale umgewandelt werden. Zuvor können die abgegriffenen Spannungen je nach Anforderungen der ADCs aufbereitet werden, zum Beispiel mithilfe eines Single-Ended-To-Differential Verstärkers und eines Anti-Aliasing Filters. Mit einer Fast-Fourier-Transformation kann eine fundamentale Frequenz beider Spannungen bestimmt werden. Die mit der fundamentalen Frequenz (Grundfrequenz) zusammenhängende Phaseninformation kann dann genutzt werden, um die Phasenverschiebung zu bestimmen.Small-signal excitation of the gate-source voltage of a transistor as a semiconductor component can be used for Si MOSFETs, IGBTs, and wide bandgap transistors such as GaN HEMTs and SiC MOSFETs. Small-signal excitation of the base current is possible for bipolar transistors as a semiconductor component. One possible implementation can be that the sinusoidal gate-source voltage is set via a digital-to-analog converter (DAC) that is controlled by a microcontroller (e.g. as part of the control unit described here). The voltage measurement of the gate-source voltage and the drain-source voltage can be carried out via a high-impedance voltage tap using a respective instrument amplifier. The tapped voltages can be converted into digital signals by respective analog-to-digital converters (ADCs). The tapped voltages can be previously conditioned depending on the requirements of the ADCs, for example using a single-ended-to-differential amplifier and an anti-aliasing filter. A fundamental frequency of both voltages can be determined using a fast Fourier transform. The phase information associated with the fundamental frequency can then be used to determine the phase shift.

Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren kann bei dem hierin vorgestellten Verfahren auf die genaue Verlust- und Temperaturbestimmung, also auch Temperatursensoren, verzichtet werden, was die Implementierung in einem leistungselektronischen System deutlich vereinfacht und sie kostengünstiger macht. So kann sie beispielsweise von Modulherstellern genutzt werden, damit sie ihre Module vor dem Verkauf testen können. Zusätzlich kann sie für die prädiktive Wartung von Leistungskomponenten an schwer zugänglichen Orten, zum Beispiel Offshore Windkraftanlagen genutzt werden.In contrast to previous methods, the method presented here does not require precise loss and temperature determination, including temperature sensors, which makes implementation in a power electronic system much easier and more cost-effective. For example, it can be used by module manufacturers to test their modules before selling them. In addition, it can be used for predictive maintenance of power components in hard-to-reach locations, such as offshore wind turbines.

Thermomechanisch bedingte Degradationsarten, wie z.B. die Ermüdung von leitungselektronischen Komponenten wie Lötmittel und thermische Grenzschichten, können identifiziert werden, zum Beispiel ohne dass Veränderungen der thermischen Antwort überwacht werden müssen, und mit lokalisierten Degradationsarten in Beziehung gesetzt werden. So kann auf Methoden verzichtet werden, die ausschließlich periodische Verluste in die Halbleiter einprägen und die Sperrschichttemperaturantwort mit Hilfe von TSEPs extrahieren. Insbesondere kann hierin eine Größe der thermischen Impedanz und die Phasenänderungen mit der eine Spitzenempfindlichkeit bei der Anregungsfrequenz aufweisenden Degradationsart korrelieren.Thermomechanically induced degradation modes, such as fatigue of line electronic components such as solder and thermal interfaces, can be identified, for example without having to monitor changes in the thermal response, and correlated with localized degradation modes. This eliminates the need for methods that only imprint periodic losses into the semiconductors and extract the junction temperature response using TSEPs. In particular, a magnitude of the thermal impedance and the phase changes can be correlated with the degradation mode that has a peak sensitivity at the excitation frequency.

Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung hat bisherige thermische Impedanzspektroskopie folgende Nachteile: 1) Die erforderliche genaue Temperaturmessung ist komplex und teuer, wenn sie mit Hilfe von TSEPs durchgeführt werden, da sie eine Messung der elektrischen Parameter mit hoher Bandbreite erfordert; 2) Die genaue Berechnung oder Messung von Bauteilverlusten ist schwierig zu realisieren; und 3) Die meisten TSEPs werden durch die Bauteildegradation beeinträchtigt, so dass eine Neukalibrierung bei unterschiedlichen Degradationsgraden erforderlich ist.In contrast to the present invention, previous thermal impedance spectroscopy has the following disadvantages: 1) The required accurate temperature measurement is complex and expensive when performed using TSEPs because it requires high bandwidth measurement of electrical parameters; 2) The accurate calculation or measurement of device losses is difficult to realize; and 3) Most TSEPs are affected by device degradation, so recalibration is required at different levels of degradation.

Auch wenn sich einige der oben beschriebenen Aspekte auf das Verfahren, das Leistungselektronikmodul oder das leistungselektronische System beziehen, können diese Aspekte in entsprechender Weise auch für die jeweils anderen Aspekte davon gelten.Although some of the aspects described above relate to the method, the power electronics module or the power electronics system, these aspects may also apply to the other aspects thereof in a corresponding manner.

In einem Beispiel können das leistungselektronische System, Leistungselektronikmodul und/oder Steuergerät unter Verwendung von Hardwareschaltungen, Softwaremitteln oder einer Kombination davon implementiert sein. So können mehrere Einheiten des leistungselektronischen Systems, Leistungselektronikmoduls und/oder Steuergeräts jeweils in einer einzigen physikalischen Einheit realisiert sein, etwa wenn mehrere Funktionen in Software implementiert sind. Die Einheiten des leistungselektronischen Systems, Leistungselektronikmoduls und/oder Steuergeräts können auch in Hardware-Bausteinen implementiert sein. Die Einheiten des leistungselektronischen Systems, Leistungselektronikmoduls und/oder Steuergeräts sind jeweils als funktionale Einheiten zu verstehen, die nicht notwendigerweise physikalisch voneinander getrennt sind. So können das leistungselektronische System, Leistungselektronikmodul und/oder Steuergerät zumindest teilweise als Computer, feldprogrammierbares Logik-Array (FPLA), feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA), Mikrocontroller, CPU (z.B. mit mehreren Kernen), Grafikprozessoreinheit (GPU), anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) und/oder digitaler Signalprozessor (DSP) realisiert sein.In one example, the power electronic system, power electronic module and/or control unit can be implemented using hardware circuits, software means or a combination thereof. For example, multiple units of the power electronic system, power electronic module and/or control unit can each be realized in a single physical unit, for example when multiple functions are implemented in software. The units of the power electronic system, power electronic module and/or control unit can also be implemented in hardware components. The units of the power electronic system, power electronic module and/or control unit are each to be understood as functional units that are not necessarily physically separated from one another. For example, the power electronic system, power electronic module and/or control unit can be implemented at least partially as a computer, field pro programmable logic array (FPLA), field programmable gate array (FPGA), microcontroller, CPU (e.g. with multiple cores), graphics processing unit (GPU), application specific integrated circuit (ASIC) and/or digital signal processor (DSP).

Alle vorliegend verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe haben die Bedeutung, die dem allgemeinen Verständnis des Fachmanns auf dem technischen Gebiet der Leistungselektronik entspricht; sie sind basierend auf den im Lexikon zu findenden Definitionen bzw. dem technischen Jargon über dieses technische Gebiet auszulegen. Werden vorliegend Fachbegriffe unzutreffend verwendet und bringen so den technischen Gedanken der vorliegenden Erfindung nicht zum Ausdruck, sind diese durch Fachbegriffe ersetzbar, die dem Fachmann ein richtiges Verständnis vermitteln.All technical and scientific terms used herein have the meaning that corresponds to the general understanding of the person skilled in the art in the technical field of power electronics; they are to be interpreted based on the definitions found in the dictionary or the technical jargon about this technical field. If technical terms are used incorrectly and thus do not express the technical idea of the present invention, they can be replaced by technical terms that give the person skilled in the art a correct understanding.

Heißt es vorliegend, dass eine Komponente mit einer anderen Komponente „verbunden“ ist, kann dies für den Zweck der vorliegenden Offenbarung bedeuten, dass diese Komponenten auch direkt miteinander verbunden sein können. Der Begriff „direkt“ indiziert dabei, dass dazwischen keine weitere Komponente vorhanden ist.If it is said here that a component is "connected" to another component, this can mean for the purposes of the present disclosure that these components can also be directly connected to one another. The term "directly" indicates that there is no further component in between.

Die hierin beschriebenen Verfahrensschritte sollten hierin nicht so ausgelegt werden, dass sie in einer bestimmten Reihenfolge erfolgen müssen, es sei denn, es wird ausdrücklich oder implizit etwas anderes angegeben, beispielsweise wenn diese Verfahrensschritte aus technischen Gründen nicht getauscht werden können. Auch können die Verfahrensschritte direkt nacheinander (ohne weitere dazwischenliegende Schritte) und/oder fortlaufend durchgeführt werden.The method steps described herein should not be interpreted as requiring that they be performed in a particular order, unless expressly or implicitly stated otherwise, for example if these method steps cannot be interchanged for technical reasons. The method steps may also be performed directly one after the other (without any further intervening steps) and/or continuously.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsformen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen. Die gleichen oder ähnlichen Elemente in den Zeichnungen sind immer mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Detaillierte Erklärungen von bekannten Funktionen und Strukturen werden weggelassen, sofern sie von der Erfindung ablenken.Further objects, features, advantages and possible applications will become apparent from the following description of non-limiting embodiments with reference to the accompanying drawings. The same or similar elements in the drawings are always provided with the same or similar reference numerals. Detailed explanations of known functions and structures are omitted if they detract from the invention.

Die Zeichnungen zeigen in:

  • 1 eine schematische Darstellung eines leistungselektronischen Systems;
  • 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Degradationsdiagnose;
  • 3 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts;
  • 4 ein regelungstechnisches Blockschaltbild zur Degradationsdiagnose; und
  • 5 frequenzaufgelöste Phasendiagramme.
The drawings show in:
  • 1 a schematic representation of a power electronic system;
  • 2 a schematic representation of a method for degradation diagnosis;
  • 3 a schematic representation of a control unit;
  • 4 a control block diagram for degradation diagnosis; and
  • 5 frequency-resolved phase diagrams.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Das Verfahren, das leistungselektronische System, das Leistungselektronikmodul und das Steuergerät werden nun in Bezug auf die Ausführungsformen beschrieben. Ohne darauf festgelegt zu sein, werden spezifische Details erläutert, um ein tieferes Verständnis der Erfindung bereitzustellen.The method, the power electronic system, the power electronic module and the controller will now be described with reference to the embodiments. Without being limited thereto, specific details are set forth to provide a deeper understanding of the invention.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines leistungselektronischen Systems 1. Das leistungselektronische System 1 hat ein Leistungselektronikmodul 2 mit einem Halbleiterbauelement 3. Das Halbleiterbauelement hat einen Steueranschluss 4, Senkenanschluss 5 und Quellenanschluss 6. Nachfolgend wird angenommen, dass es sich bei dem Halbleiterbauelement 3 um ein MOSFET handelt, zum Beispiel ein SiC-MOSFET. Dabei werden Leitungsverluste so moduliert, dass die Gate-Source Spannung vGS und die Drain-Source Spannung vds zu messen (vgl. 4). Das zu testende Leistungselektronikmodul 2 kann zum Beispiel auf der Unterseite des Halbleiterbauelements 3 mit einem Kühlkörper verbunden sein. Die elektrischen Kontakte des Leistungselektronikmoduls 2 sind mit einer Leiterplatte der übrigen Schaltungselemente 7 bis 14 des leistungselektronischen Systems 1 verbunden. Das leistungselektronische System 1 hat ferner ein Steuergerät 7, das verwendet wird, um die Gate-Source Spannung vGS des Halbleiterbauelements 3 über einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 8, zum Beispiel ein 12-Bit-Digital-Analog-Wandler-IC, dynamisch einzustellen. 1 shows a schematic representation of a power electronic system 1. The power electronic system 1 has a power electronic module 2 with a semiconductor component 3. The semiconductor component has a control connection 4, drain connection 5 and source connection 6. It is assumed below that the semiconductor component 3 is a MOSFET, for example a SiC-MOSFET. In this case, conduction losses are modulated in such a way that the gate-source voltage v GS and the drain-source voltage v ds can be measured (cf. 4 ). The power electronics module 2 to be tested can be connected to a heat sink on the underside of the semiconductor component 3, for example. The electrical contacts of the power electronics module 2 are connected to a circuit board of the remaining circuit elements 7 to 14 of the power electronics system 1. The power electronics system 1 also has a control unit 7, which is used to dynamically adjust the gate-source voltage v GS of the semiconductor component 3 via a digital-to-analog converter (DAC) 8, for example a 12-bit digital-to-analog converter IC.

Gate-Source Spannung und Drain-Source Spannung werden über jeweilige Messeinheiten 9, 10 bzw. 12, 13 und Analog-Digital-Wandler (ADC 11, 14) bestimmt. Ein oder mehrere dieser Elemente 9 bis 14 können auch Teil des Steuergeräts 7 sein oder darin integriert sein. Zum besseren Verständnis sind diese separat aufgeführt. Die Messeinheiten sind in 1 in die Elemente 9 und 10 bzw. 12 und 13 unterteilt. Hierbei ist in der mit der Drain-Source Spannung zusammenhängenden Messeinheit ein erster Instrumentenverstärker 9 einem ersten Anti-Aliasing-Filter 10 vorgeschaltet, dessen Ausgang mit dem ersten ADC 11 verbunden ist. In der mit der Gate-Source Spannung zusammenhängenden Messeinheit ist ein zweiter Instrumentenverstärker 12 einem zweiten Anti-Aliasing-Filter 13 vorgeschaltet, dessen Ausgang mit dem zweiten ADC 14 verbunden ist.Gate-source voltage and drain-source voltage are determined via respective measuring units 9, 10 and 12, 13 and analog-digital converters (ADC 11, 14). One or more of these elements 9 to 14 can also be part of the control unit 7 or integrated into it. For better understanding, these are listed separately. The measuring units are in 1 divided into the elements 9 and 10 or 12 and 13. In the measuring unit associated with the drain-source voltage, a first instrument amplifier 9 is connected upstream of a first anti-aliasing filter 10, the output of which is connected to the first ADC 11. In the measuring unit associated with the gate-source voltage, a second instrument amplifier 12 is connected upstream of a second anti-aliasing filter 13, the output of which is connected to the second ADC 14.

Als weitere Möglichkeit kann die jeweilige Messeinheit auch in drei Teile unterteilt sein: Die zu messende Spannung (Gate-Source oder Drain-Source) wird über einen Instrumentenverstärker mit hoher Eingangsimpedanz mit dem Leistungselektronikmodul 2 verbunden. Ein Single-Ended-to-Differential Verstärker mit einem kaskadierten Operationsverstärker kann dann die Spannung in ein Differenzsignal umwandeln, das zum Beispiel durch einen 24-Bit-Sigma-Delta-ADC des Steuergeräts 7 in ein digitales Signal umgewandelt werden kann, nachdem es durch einen Anti-Aliasing-Filter gefiltert wurde.As a further possibility, the respective measuring unit can also be divided into three parts: The voltage to be measured (gate-source or drain- Source) is connected to the power electronics module 2 via an instrumentation amplifier with high input impedance. A single-ended-to-differential amplifier with a cascaded operational amplifier can then convert the voltage into a differential signal, which can be converted into a digital signal, for example by a 24-bit sigma-delta ADC of the control unit 7, after being filtered by an anti-aliasing filter.

Zum Beispiel kann in beiden Alternativen der Spannungsabgriff über Gate-Source und Drain-Source hochohmig erfolgen.For example, in both alternatives the voltage tap can be made at high impedance via gate-source and drain-source.

Das Steuergerät 7 legt die Gate-Source Spannung fest, indem das Steuergerät 7 die Ausgangsspannung des DAC 8 beispielsweise über Serial Peripheral Interface (SPI) einstellt. Diese Ausgangsspannung kann mit einem Instrumentenverstärker verbunden sein, der die Ausgangsspannung in Gate-Source Spannungen im Bereich von -5 V bis 20 V umwandelt. Die Modulation der Gate-Source Spannung wird durch die Erzeugung einer Sinusspannung mit einer variablen Abtastfrequenz am Ausgang des DAC 8 realisiert. Die variable Aktualisierungsfrequenz wird so gewählt, dass die Anzahl von Abtastpunkten pro Zeitraum konstant bleibt. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die Werte für einen Zeitraum der Sinusspannung auf dem Steuergerät 7 gespeichert werden können und nicht in Echtzeit berechnet werden müssen. Die Frequenz, mit der die Gate-Source und Drain-Source Spannungswerte über den DAC 8 aktualisiert werden, entspricht der Abtastfrequenz der ADCs 11 und 14. Die über die ADCs 11 und 14 aufgenommenen zeit- und/oder frequenzaufgelösten Spannungswerte können zur Auswertung an einen externen Computer gesendet werden.The control unit 7 sets the gate-source voltage by setting the output voltage of the DAC 8, for example via Serial Peripheral Interface (SPI). This output voltage can be connected to an instrument amplifier that converts the output voltage into gate-source voltages in the range from -5 V to 20 V. The modulation of the gate-source voltage is realized by generating a sinusoidal voltage with a variable sampling frequency at the output of the DAC 8. The variable update frequency is selected so that the number of sampling points per period remains constant. The advantage of this method is that the values for a period of the sinusoidal voltage can be stored on the control unit 7 and do not have to be calculated in real time. The frequency with which the gate-source and drain-source voltage values are updated via the DAC 8 corresponds to the sampling frequency of the ADCs 11 and 14. The time- and/or frequency-resolved voltage values recorded via the ADCs 11 and 14 can be sent to an external computer for evaluation.

In der Nachbearbeitung kann mittels einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) die Grundfrequenz der Gate-Source Spannung vGS und der Drain-Source Spannung vds bestimmt werden. Anschließend wird die Phaseninformation der Grundfrequenz verwendet, um die Phasenverschiebung zwischen der Gate-Source Spannung vGS und der Drain-Source Spannung vds zu bestimmen.In post-processing, the fundamental frequency of the gate-source voltage v GS and the drain-source voltage v ds can be determined using a fast Fourier transformation (FFT). The phase information of the fundamental frequency is then used to determine the phase shift between the gate-source voltage v GS and the drain-source voltage v ds .

Bei der Durchführung des Verfahrens kann der MOSFET permanent im eingeschalteten Zustand gehalten werden und einen beliebigen, lediglich im Spezialfall konstanten, Drain-Source Strom ids, zum Beispiel um die 5A, leiten. Eine sinusförmige Kleinsignalspannung vac mit variabler Frequenz und einer Amplitude von 1 V wird auf die konstante Gate-Source Spannung V0 von 10 V aufmoduliert. Jede Frequenz wird für eine halbe oder ganze Sinusperiode, auf das Gate angewendet. Es kann zum Beispiel ein ganzzahliger Sinusperiodenanteil oder ein ganzzahliger Teiler (z.B. 1/2, 1/3, 1/4, ... 1/8) der Sinusperiode verwendet werden. Hierbei ist das Verfahren nicht auf eine einzige Sinusschwingung begrenzt, sondern es können Verfahren zur Modulation eingesetzt werden, bei der die sinusförmige Kleinsignalspannung vac mehrere Frequenzen, ganze oder mehrere Frequenzteilbereiche innerhalb des hierin beschriebenen Frequenzbereichs aufweist. Hierdurch kann sich der Zeitaufwand reduzieren lassen.When carrying out the method, the MOSFET can be kept permanently switched on and conduct any drain-source current i ds , for example around 5 A, which is only constant in special cases. A sinusoidal small-signal voltage v ac with a variable frequency and an amplitude of 1 V is modulated onto the constant gate-source voltage V 0 of 10 V. Each frequency is applied to the gate for half or a whole sine period. For example, an integer sine period component or an integer divisor (e.g. 1/2, 1/3, 1/4, ... 1/8) of the sine period can be used. The method is not limited to a single sinusoidal oscillation, but modulation methods can be used in which the sinusoidal small-signal voltage v ac has several frequencies, whole frequency ranges or several frequency sub-ranges within the frequency range described here. This can reduce the time required.

Die Bandbreite (auch Frequenzteilbereich genannt), in der Änderungen der thermischen Impedanz auftreten, stellt Informationen über den Ort der Alterungseffekte im thermischen Pfad bereit. Je näher der Alterungseffekt an der Vorrichtung liegt, desto höher ist die zu betrachtende Frequenz.The bandwidth (also called frequency sub-range) over which thermal impedance changes occur provides information about the location of aging effects in the thermal path. The closer the aging effect is to the device, the higher the frequency to consider.

In Bezug auf 1 zeigt 2 ganz allgemein eine schematische Darstellung eines Verfahrens S0 zur Degradationsdiagnose des Leistungselektronikmoduls 2 mit dem Halbleiterbauelement 3. Das Verfahren S0 umfasst das Bereitstellen S1 eines einen zum Einschalten des Halbleiterbauelements 3 vorgesehenen Großsignalteil enthaltendes Eingangssignals des Leistungselektronikmoduls 2. Das Verfahren S0 umfasst ferner das Aufnehmen S2 eines auf dem Eingangssignal beruhenden Ausgangssignals des Leistungselektronikmoduls 2, um eine Degradationsdiagnose des Leistungselektronikmoduls 2 zu ermöglichen. Dabei enthält das Eingangssignal einen sinusförmigen Kleinsignalteil. Dazu wird optional die Degradation von einer oder mehreren mit dem Leistungselektronikmodul 2 zusammenhängenden Komponenten durch frequenzaufgelöstes Vergleichen einer Phase des Ausgangssignals mit einer Phase des Eingangssignals bestimmt.In relation to 1 shows 2 very generally a schematic representation of a method S0 for degradation diagnosis of the power electronics module 2 with the semiconductor component 3. The method S0 comprises providing S1 an input signal of the power electronics module 2 containing a large signal part intended for switching on the semiconductor component 3. The method S0 further comprises receiving S2 an output signal of the power electronics module 2 based on the input signal in order to enable a degradation diagnosis of the power electronics module 2. The input signal contains a sinusoidal small signal part. For this purpose, the degradation of one or more components associated with the power electronics module 2 is optionally determined by frequency-resolved comparison of a phase of the output signal with a phase of the input signal.

Die als Blöcke des Blockdiagramms in 2 dargestellten Verfahrensschritte können beispielsweise im Wesentlichen in einem maschinen-, prozessor- oder computerlesbaren Datenträger abgebildet und so von einem Computer oder Prozessor, wie z.B. unten in Bezug auf 3 beschrieben, ausgeführt werden. Beispiele können ferner ein Computerprogramm sein oder sich auf ein solches beziehen, das einen Programmcode zur Ausführung zumindest eines Teils der Verfahrensschritte aus 2 enthält, wenn das Computerprogramm auf dem Computer oder Prozessor ausgeführt wird. Ein Beispiel kann auch einen flüchtigen Speicher oder Dauerspeicher, wie z.B. ebenfalls unten in Bezug auf 3 beschrieben, aufweisen, der maschinen-, prozessor- oder computerlesbar ist und maschinenausführbare, prozessorausführbare oder computerausführbare Programme mit Befehlen codiert, die die Ausführung einiger oder aller Verfahrensschritte veranlassen.The blocks of the block diagram in 2 The method steps described may, for example, be substantially represented in a machine-, processor- or computer-readable data carrier and thus executed by a computer or processor, such as described below with respect to 3 Examples may also be or refer to a computer program that includes program code for executing at least part of the method steps of 2 when the computer program is executed on the computer or processor. An example may also include volatile memory or persistent memory, such as also described below with respect to 3 described, which is machine-, processor- or computer-readable and encodes machine-executable, processor-executable or computer-executable programs containing instructions that cause execution of some or all of the method steps.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuergeräts in Form eines Computers. Das Steuergerät 7 implementiert einen oder mehrere Schritte des Verfahrens, wie in 2 dargestellt. Insbesondere stellt das Steuergerät 7 Funktionalität, wie Computersoftware bereit, die auf dem Steuergerät 7 läuft und einen oder mehrere Schritte des Verfahrens ausführt. Insbesondere kann das Steuergerät 7 mit dem Eingangssignal und/oder Ausgangssignal zusammenhängende Befehle ausführen, die in dem hierin beschriebenen Computerprogramm enthalten sind, und das Steuergerät 7 veranlassen, den einen oder die mehreren Schritte des Verfahrens auszuführen. 3 shows a schematic representation of a control unit in the form of a computer. The control unit 7 implements one or more steps of the method as shown in 2 . In particular, the controller 7 provides functionality, such as computer software running on the controller 7 that performs one or more steps of the method. In particular, the controller 7 may execute instructions associated with the input signal and/or output signal that are included in the computer program described herein and cause the controller 7 to perform the one or more steps of the method.

Hierin ist vorgesehen, dass das Steuergerät 7 jedwede geeignete physikalische Form annimmt. Als Beispiel kann das Steuergerät 7 zumindest teilweise als ein eingebetteter Computer, Microcontroller, System-on-Chip (SOC) und/oder Einplatinen-Computer (SBC) ausgebildet sein. Das Steuergerät 7 kann einheitlich oder verteilt sein oder einen oder mehrere Standorte überspannen. Das Steuergerät 7 kann ohne wesentliche räumliche oder zeitliche Begrenzung einen oder mehrere Schritte des Verfahrens ausführen. Als Beispiel kann das Steuergerät 7 in Echtzeit, parallel oder im Batch-Modus einen oder mehrere Schritte des Verfahrens ausführen. Das Steuergerät 7 kann zu verschiedenen Zeitpunkten oder an verschiedenen Orten, Schritt(e) des Verfahrens ausführen.It is contemplated herein that controller 7 may take any suitable physical form. As an example, controller 7 may be embodied at least in part as an embedded computer, microcontroller, system-on-chip (SOC), and/or single-board computer (SBC). Controller 7 may be unified or distributed, or may span one or more locations. Controller 7 may perform one or more steps of the method without significant spatial or temporal limitations. As an example, controller 7 may perform one or more steps of the method in real time, in parallel, or in batch mode. Controller 7 may perform step(s) of the method at different times or at different locations.

Das Steuergerät 7 hat zumindest eine oder mehrere der folgenden Komponenten: einen Prozessor 15, einen flüchtigen Speicher 16, einen Dauerspeicher 17 mit Controller 18 und nichtflüchtiger Speichervorrichtung (NVM) 19, einen Bus 20, einen Arbiter 21, eine Kommunikationsschnittstelle 22, einen Stromanschluss 23, eine Hauptstromversorgung 24 und eine Hilfsstromversorgung 25. Die Komponenten des Steuergeräts 7 können zumindest teilweise in Hardware und/oder Software ausgeführt sein. Die Verschaltung der Komponenten des Steuergeräts 7 ist lediglich der Einfachheit halber wie in 3 strukturiert. Insbesondere die Verschaltung und Anbindung kann sich in der Umsetzung aufgrund von Signalverarbeitung und Signalgebung unterscheiden.The control unit 7 has at least one or more of the following components: a processor 15, a volatile memory 16, a permanent memory 17 with controller 18 and non-volatile memory device (NVM) 19, a bus 20, an arbiter 21, a communication interface 22, a power connection 23, a main power supply 24 and an auxiliary power supply 25. The components of the control unit 7 can be at least partially implemented in hardware and/or software. The interconnection of the components of the control unit 7 is shown as in 3 structured. In particular, the interconnection and connection can differ in implementation due to signal processing and signaling.

Der Prozessor 15 hat Mittel zum Ausführen von mit dem Eingangssignal/Ausgangssignal zusammenhängenden Befehlen z.B. des hierin beschriebenen Computerprogramms. Beispielsweise kann der Prozessor 15 die mit dem Eingangssignal/Ausgangssignal zusammenhängenden Befehle, die in dem hierin beschriebenen Computerprogramm enthalten sind, z.B. aus dem flüchtigen Speicher 16 und/oder dem Dauerspeicher 17 laden und die Befehle dann ausführen, was wiederum den Prozessor 15 dazu veranlasst, den einen oder die mehreren Schritte des Verfahrens, wie z.B. in 2 dargestellt, auszuführen. Der Prozessor 15 kann ein internes Register/Cache für die auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten, für die mit den auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten zusammenhängenden Befehle und/oder für dazugehörige Adressen aufweisen. Der Prozessor 15 kann ein FPLA, ein FPGA, einen Mikrocontroller, eine CPU, eine GPU, ein ASIC und/oder ein DSP zum Zugreifen auf das interne Register/Cache aufweisen. Als Beispiel kann der Prozessor 15, zum Ausführen der mit dem Eingangssignal/Ausgangssignal zusammenhängenden Befehle, diese von dem internen Register/Cache des Prozessors 15, dem flüchtigen Speicher 16 oder dem Dauerspeicher 17 abrufen; entschlüsseln und ausführen; und dann ein Ergebnis in das interne Register/Cache des Prozessors 15, den flüchtigen Speicher 16 oder den Dauerspeicher 17 schreiben.The processor 15 has means for executing instructions related to the input signal/output signal, eg of the computer program described herein. For example, the processor 15 can load the instructions related to the input signal/output signal contained in the computer program described herein, eg from the volatile memory 16 and/or the persistent memory 17 and then execute the instructions, which in turn causes the processor 15 to carry out the one or more steps of the method, eg as in 2 , illustrated. The processor 15 may include an internal register/cache for the data based on the input/output signal, the instructions associated with the data based on the input/output signal, and/or associated addresses. The processor 15 may include an FPGA, an FPGA, a microcontroller, a CPU, a GPU, an ASIC, and/or a DSP to access the internal register/cache. As an example, to execute the instructions associated with the input/output signal, the processor 15 may retrieve them from the internal register/cache of the processor 15, the volatile memory 16, or the persistent memory 17; decrypt and execute them; and then write a result to the internal register/cache of the processor 15, the volatile memory 16, or the persistent memory 17.

Als Beispiel kann der Prozessor 15 einen Befehls-Cache, einen Daten-Cache und/oder einen Übersetzungspuffer (TLB) aufweisen. Die mit dem Eingangssignal/Ausgangssignal zusammenhängenden Befehle in dem Befehls-Cache können Kopien von Befehlen in dem flüchtigen Speicher 16 und/oder Dauerspeicher 17 sein und der Befehls-Cache kann das Abrufen dieser mit dem Eingangssignal/Ausgangssignal zusammenhängenden Befehle durch den Prozessor 15 beschleunigen. Die auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten in dem Daten-Cache können Kopien von Daten für die gerade auf dem Prozessor 15 ausgeführten und mit dem Eingangssignal/Ausgangssignal zusammenhängenden Befehle in dem flüchtigen Speicher 16 und/oder Dauerspeicher 17 sein. Die Ergebnisse der vorherigen auf dem Prozessor 15 ausgeführten und mit dem Eingangssignal/Ausgangssignal zusammenhängenden Befehle, können für den Zugriff durch nachfolgende auf dem Prozessor 15 auszuführende und mit dem Eingangssignal/Ausgangssignal zusammenhängende Befehle, oder für das Schreiben in den flüchtigen Speicher 16 und/oder Dauerspeicher 17 vorgesehen sein. Der Daten-Cache kann die Lese- oder Schreiboperationen des Prozessors 15 beschleunigen. Die mit dem Eingangssignal/Ausgangssignal zusammenhängenden Adressen in dem TLB können Adressenreferenzen zu Adressen in dem flüchtigen Speicher 16 und/oder Dauerspeicher 17 sein, um die virtuelle Adressenübersetzung für den Prozessor 15 zu beschleunigen.As an example, processor 15 may include an instruction cache, a data cache, and/or a translation buffer (TLB). The input/output-related instructions in the instruction cache may be copies of instructions in volatile memory 16 and/or persistent storage 17, and the instruction cache may speed up the retrieval of these input/output-related instructions by processor 15. The input/output-based data in the data cache may be copies of data for the input/output-related instructions currently executing on processor 15 in volatile memory 16 and/or persistent storage 17. The results of previous input/output related instructions executed on processor 15 may be provided for access by subsequent input/output related instructions executed on processor 15 or for writing to volatile memory 16 and/or persistent storage 17. The data cache may speed up the read or write operations of processor 15. The input/output related addresses in the TLB may be address references to addresses in volatile memory 16 and/or persistent storage 17 to speed up virtual address translation for processor 15.

Der flüchtige Speicher 16 kann ein dynamischer RAM (DRAM) oder ein statischer RAM (SRAM) sein. Der flüchtige Speicher 16 kann insbesondere als der hierin beschriebene Datenträger ausgebildet sein auf dem das hierin beschriebene Computerprogramm zumindest vorübergehend gespeichert sein kann. Darüber hinaus kann der flüchtige Speicher 16 ein einzelner oder mehrkanaliger RAM sein. Der flüchtige Speicher 16 kann einen Hauptspeicher zum Speichern von mit dem Eingangssignal/Ausgangssignal zusammenhängenden Befehlen für den Prozessor 15 aufweisen, der diese Befehle dann ausführt; oder die auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten für den Prozessor 15 aufweisen, die der Prozessor 15 verwendet, um mit diesen zu arbeiten. Als Beispiel kann das Steuergerät 7 diese Befehle aus dem Dauerspeicher 17 oder einer anderen Quelle (wie beispielsweise einem anderen Computer, dem Netzwerk oder der Cloud) in den flüchtigen Speicher 16 laden. Der Prozessor 15 kann dann diese Befehle aus dem flüchtigen Speicher 16 in das interne Register/Cache des Prozessors 15 laden. Um diese Befehle auszuführen, kann der Prozessor 15 diese Befehle aus dem entsprechenden internen Register/Cache abrufen und entschlüsseln. Während oder nach dem Ausführen dieser Befehle kann der Prozessor 15 ein Ergebnis (die Zwischen- oder Endresultate sein können) in das interne Register/Cache schreiben. Der Prozessor 15 kann dann das Ergebnis in den flüchtigen Speicher 16 schreiben.The volatile memory 16 can be a dynamic RAM (DRAM) or a static RAM (SRAM). The volatile memory 16 can be designed in particular as the data carrier described herein on which the computer program described herein can be stored at least temporarily. In addition, the volatile memory 16 can be a single or multi-channel ger RAM. The volatile memory 16 may include main memory for storing instructions related to the input/output signal for the processor 15, which then executes those instructions; or include the input/output-based data for the processor 15 that the processor 15 uses to operate on them. As an example, the controller 7 may load these instructions into the volatile memory 16 from the persistent memory 17 or another source (such as another computer, the network, or the cloud). The processor 15 may then load these instructions from the volatile memory 16 into the internal register/cache of the processor 15. To execute these instructions, the processor 15 may retrieve and decrypt these instructions from the corresponding internal register/cache. During or after executing these instructions, the processor 15 may write a result (which may be intermediate or final results) to the internal register/cache. The processor 15 can then write the result into the volatile memory 16.

Zum Beispiel führt der Prozessor 15 nur die mit dem Eingangssignal/Ausgangssignal zusammenhängenden Befehle im internen Register/Cache des Prozessors 15 oder im flüchtigen Speicher 16 (im Gegensatz zum Dauerspeicher 17) aus, und arbeitet nur auf den auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten im internen Register/Cache des Prozessors 15 oder im flüchtigen Speicher 16 (im Gegensatz zum Dauerspeicher 17). Es kann sich eine Speicherverwaltungseinheit (MMU - nicht gezeigt) zwischen dem Prozessor 15 und dem flüchtigen Speicher 16 befinden und den von dem Prozessor 15 angeforderten Zugriff, der mit dem Eingangssignal/Ausgangssignal in Verbindung steht, auf den flüchtigen Speicher 16 unterstützen.For example, processor 15 executes only the input/output related instructions in processor 15's internal register/cache or volatile memory 16 (as opposed to persistent memory 17), and operates only on the input/output based data in processor 15's internal register/cache or volatile memory 16 (as opposed to persistent memory 17). A memory management unit (MMU - not shown) may be located between processor 15 and volatile memory 16 and may support input/output related access to volatile memory 16 requested by processor 15.

Der flüchtige Speicher 16 kann ein von dem Prozessor 15 und der Kommunikationsschnittstelle 22 geteilter Speicher sein. Die Kommunikationsschnittstelle 22 greift dabei über den Prozessor 15 auf den geteilten flüchtigen Speicher 16 zu. Die Kommunikationsschnittstelle 22 kann beispielsweise keinen eingebauten Speicher enthalten. Hierbei kann sich die Kommunikationsschnittstelle 22 den mit dem Prozessor 15 verbundenen flüchtigen Speicher 16 teilen. Der Prozessor 15 kann einen Speicher-Zugriffspfad haben, der einen mit dem Eingangssignal/Ausgangssignal in Verbindung stehenden Zugriff auf den geteilten flüchtigen Speicher 16 ermöglicht. Die Kommunikationsschnittstelle 22 greift über den Speicher-Zugriffspfad des Prozessors 15 auf den geteilten flüchtigen Speicher 16 zu. Der Kommunikationsschnittstelle 22 wird der mit dem Eingangssignal/Ausgangssignal in Verbindung stehende Zugriff auf den geteilten flüchtigen Speicher 16 ermöglicht, während der Speicher-Zugriffspfad aktiv ist und der Prozessor 15 inaktiv ist. Hierbei ist der Speicher-Zugriffspfad ohne Eingriff des Prozessors 15 aktiv. Der Speicher-Zugriffspfad wird abgeschaltet, während der Prozessor 15 und die Kommunikationsschnittstelle 22 inaktiv sind. Der Speicher-Zugriffspfad wird ohne Eingreifen des Prozessors 15 eingeschaltet, sobald eine Anforderung zum Koppeln des Speicher-Zugriffspfads mit dem Prozessor 15 empfangen wird, während der Speicher-Zugriffspfad abgeschaltet ist und die Kommunikationsschnittstelle 22 aktiv sind.The volatile memory 16 may be a memory shared by the processor 15 and the communication interface 22. The communication interface 22 accesses the shared volatile memory 16 via the processor 15. The communication interface 22 may, for example, contain no built-in memory. In this case, the communication interface 22 may share the volatile memory 16 connected to the processor 15. The processor 15 may have a memory access path that enables input/output signal-related access to the shared volatile memory 16. The communication interface 22 accesses the shared volatile memory 16 via the memory access path of the processor 15. The communication interface 22 is enabled input/output signal-related access to the shared volatile memory 16 while the memory access path is active and the processor 15 is inactive. Here, the memory access path is active without intervention by the processor 15. The memory access path is switched off while the processor 15 and the communication interface 22 are inactive. The memory access path is switched on without intervention by the processor 15 as soon as a request to couple the memory access path to the processor 15 is received while the memory access path is switched off and the communication interface 22 is active.

Der Dauerspeicher 17 hat einen Massenspeicher, z.B. einen nichtflüchtigen Speicher (NVM) 19 für die auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten oder die mit dem Eingangssignal/Ausgangssignal zusammenhängenden Befehle. Der Dauerspeicher 17 kann insbesondere als der hierin beschriebene Datenträger ausgebildet sein, auf dem das hierin beschriebene Computerprogramm gespeichert sein kann. Als Beispiel kann der Dauerspeicher 17 ein Festkörperspeicher (SSD), ein Flash-Speicher, eine nicht-flüchtige Speicherkarte, eine Secure Digital Memory Card (SD), eine Embedded Multi Media Card (eMMC) und/oder ein Universal Serial Bus (USB) sein. Der Dauerspeicher 17 kann die auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten in löschbarer oder nicht löschbarer Weise aufbewahren. Der Dauerspeicher 17 kann sich in dem Steuergerät 7 befinden, also intern, oder sich extern dazu befinden. Der Dauerspeicher 17 kann den Controller 18 aufweisen, der die Kommunikation zur Weitergabe der auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten zwischen dem Prozessor 15 und dem Dauerspeicher 17, insbesondere dem NVM 19 des Dauerspeichers 17, unterstützt.The persistent memory 17 has a mass storage, e.g. a non-volatile memory (NVM) 19 for the data based on the input signal/output signal or the commands related to the input signal/output signal. The persistent memory 17 can in particular be designed as the data carrier described herein, on which the computer program described herein can be stored. As an example, the persistent memory 17 can be a solid state memory (SSD), a flash memory, a non-volatile memory card, a Secure Digital Memory Card (SD), an Embedded Multi Media Card (eMMC) and/or a Universal Serial Bus (USB). The persistent memory 17 can store the data based on the input signal/output signal in an erasable or non-erasable manner. The persistent memory 17 can be located in the control unit 7, i.e. internally, or externally thereto. The persistent memory 17 may include the controller 18 that supports communication for passing on the data based on the input signal/output signal between the processor 15 and the persistent memory 17, in particular the NVM 19 of the persistent memory 17.

Der Bus 20 kann hierin als ein Untersystem des Steuergeräts 7 verstanden werden, das die auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten und/oder elektrische Leistung zwischen den Komponenten des Steuergeräts 7 überträgt. Der (eine) Bus 20 kann dabei die Komponenten des Steuergeräts 7 über den gleichen Satz von Leitungen miteinander verbinden. Der Bus 20 kann für eine dedizierte Kommunikation der auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten zwischen zwei oder mehreren der Komponenten des Steuergeräts 7 ausgebildet sein. Der Bus 20 kann eine Ringtopologie, Sterntopologie, (teilweise) vermaschte Topologie, Bustopologie, Baumtopologie und/oder Linientopologie aufweisen. Der Bus 20 kann dabei einen oder mehrere der folgenden Bustypen aufweisen: Accelerated Graphics Port (AGP), HyperTransport (HT), Industry Standard Architecture (ISA), Peripheral Component Interconnect (PCI), PCI-Express (PCIe), Serial Advanced Technology Attachment (SATA) und/oder INFINIBAND.The bus 20 can be understood here as a subsystem of the control unit 7 that transmits the data based on the input signal/output signal and/or electrical power between the components of the control unit 7. The (one) bus 20 can connect the components of the control unit 7 to one another via the same set of lines. The bus 20 can be designed for dedicated communication of the data based on the input signal/output signal between two or more of the components of the control unit 7. The bus 20 can have a ring topology, star topology, (partially) meshed topology, bus topology, tree topology and/or line topology. The bus 20 can have one or more of the following bus types: Accelerated Graphics Port (AGP), HyperTransport (HT), Industry Standard Architecture (ISA), Peripheral Component Interconnect (PCI), PCI-Express (PCIe), Serial Advanced Technology Attachment (SATA) and/or INFINIBAND.

Der Bus 20 kann ein Systembus sein, über den der Prozessor 15 mit den anderen Komponenten des Steuergeräts 7 verbunden ist. Hierbei kann der Bus 20 synchron - die Übernahme der auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten erfolgt bidirektional mit einer Taktflanke einer Taktung des Bus 20 - und/oder asynchron sein - keine Taktung, aber ein Handshake erfolgt zur Übernahme der auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten. Bei einem solchen semi-synchronen Systembus ist der Bus 20 getaktet, aber Steuerleitungen ermöglichen Wartezyklen, um auch langsame Komponenten, wie den Dauerspeicher 17 über den Bus 20 zu verwenden.The bus 20 can be a system bus via which the processor 15 is connected to the other components of the control unit 7. In this case, the bus 20 can be synchronous - the data based on the input signal/output signal is accepted bidirectionally with a clock edge of a clocking of the bus 20 - and/or asynchronous - no clocking, but a handshake is carried out to accept the data based on the input signal/output signal. In such a semi-synchronous system bus, the bus 20 is clocked, but control lines enable wait cycles in order to also use slow components such as the permanent memory 17 via the bus 20.

Der Arbiter 21 kann zur zumindest teilweisen Kontrolle über den Bus 20 bereitgestellt sein. Der Arbiter 21 kann als zu dem Prozessor 15 nebengeordneter Koprozessor aufgefasst werden. Der Arbiter 21 regelt basierend auf einem Zwei-Wege-Handschlag oder Drei-Wege-Handschlag den mit dem Eingangssignal/Ausgangssignal zusammenhängenden Zugriff auf den Bus 20. Hierfür werden die drei Signale Bus-Request (BREQ) zur Weitergabe der auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten, Bus-Grant (BGRT) zum Bestätigen und Genehmigen der Weitergabe und Bus-Grant-Acknowledge (BGA) zur optionalen Weitergabe-Rückmeldung verwendet.The arbiter 21 can be provided for at least partial control over the bus 20. The arbiter 21 can be understood as a coprocessor arranged parallel to the processor 15. The arbiter 21 regulates the access to the bus 20 related to the input signal/output signal based on a two-way handshake or three-way handshake. The three signals Bus-Request (BREQ) for forwarding the data based on the input signal/output signal, Bus-Grant (BGRT) for confirming and approving the forwarding and Bus-Grant-Acknowledge (BGA) for optional forwarding feedback are used for this purpose.

Der Arbiter 21 empfängt über den Bus 20 gleichzeitig mehrere BREQs von unterschiedlichen Komponenten des Steuergeräts 7. Der Arbiter 21 sortiert die BREQs nach Priorität und leitet diese sequenziell - in einer Pipeline - an den Prozessor 15 weiter. Sobald der Prozessor 15 den BREQ erhalten hat, sendet der Prozessor 15 dem Arbiter 21 oder direkt der den BREQ sendenden Komponente des Steuergeräts 7 den BGRT. Ein nachrangiger BREQ der BREQs in der Pipeline - z.B. von einer anderen Komponente des Steuergeräts 7 - wird als Antwort auf einen von dem Prozessor 15 gesendeten BGRT in Bezug auf den in der Pipeline vorrangigen und mit zumindest einem Teil der auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten zusammenhängenden BREQ an den Prozessor 15 weitergeleitet. Der auf den nachrangigen BREQ bezogene BGRT wird nach Abarbeitung des zumindest einen Teils der auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten von dem Prozessor 15 an den Arbiter 21 gesendet. Der Arbiter 21 kann z.B. wiederum als Antwort auf den BGRT, der sich auf den nachrangigen BREQ bezieht, einen in der Pipeline weiter nachrangigen BREQ - der sich z.B. auf einen anderen Teil der auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten bezieht - der BREQs an den Prozessor 15 senden. Ebenso kann als Antwort auf jeden BGRT von dem Prozessor 15, der Arbiter 21 einen jeweiligen darauf bezogenen BGA an den Prozessor 15 senden. Bei dem hierin beschriebenen Vorgehen kann ein BGA auch gänzlich entfallen. Dies erspart Overhead in der Kommunikation zwischen den Komponenten des Steuergeräts 7. Das heißt, es wird anstatt eines Drei-Wege-Handschlags ein Zwei-Wege-Handschlag bereitgestellt.The arbiter 21 receives several BREQs from different components of the control unit 7 simultaneously via the bus 20. The arbiter 21 sorts the BREQs according to priority and forwards them sequentially - in a pipeline - to the processor 15. As soon as the processor 15 has received the BREQ, the processor 15 sends the BGRT to the arbiter 21 or directly to the component of the control unit 7 sending the BREQ. A subordinate BREQ of the BREQs in the pipeline - e.g. from another component of the control unit 7 - is forwarded to the processor 15 in response to a BGRT sent by the processor 15 in relation to the BREQ that has priority in the pipeline and is related to at least part of the data based on the input signal/output signal. The BGRT related to the subordinate BREQ is sent from the processor 15 to the arbiter 21 after at least part of the data based on the input signal/output signal has been processed. The arbiter 21 can, for example, in response to the BGRT that refers to the subordinate BREQ, send a BREQ that is further down the pipeline - which refers, for example, to another part of the data based on the input signal/output signal - of the BREQs to the processor 15. Likewise, in response to each BGRT from the processor 15, the arbiter 21 can send a respective BGA related to it to the processor 15. With the procedure described here, a BGA can also be omitted entirely. This saves overhead in the communication between the components of the control unit 7. This means that a two-way handshake is provided instead of a three-way handshake.

Der Bus 20 kann auch einen Datenbus, Adressbus, und Steuerbus aufweisen. Hierbei werden die auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten zwischen den Komponenten des Steuergeräts 7 bidirektional über den Datenbus übertragen. Der Adressbus wird allein von dem Prozessor 15 bedient und überträgt unidirektional mit dem Eingangssignal/Ausgangssignal zusammenhängende Speicheradressen. Der Steuerbus wird allein von dem Arbiter 21 geregelt, z.B. im Sinne eines Wächters, und übergibt die Kontrolle darüber an den Prozessor in der pipelineartigen Weise, wie oben beschrieben, um die Übertragung der auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten zu steuern.The bus 20 may also comprise a data bus, address bus, and control bus. The data based on the input signal/output signal is transmitted bidirectionally between the components of the control device 7 via the data bus. The address bus is operated solely by the processor 15 and unidirectionally transmits memory addresses associated with the input signal/output signal. The control bus is controlled solely by the arbiter 21, e.g. in the sense of a watchdog, and passes control of it to the processor in the pipelined manner described above to control the transmission of the data based on the input signal/output signal.

Die Kommunikationsschnittstelle 22 ermöglicht dem Steuergerät 7 eine Kommunikation mit einem Netzwerk, z.B. mit einem Ad-hoc-Netzwerk, einem drahtlosen Personal Area Network ((W)PAN), z.B. einem Bluetooth WPAN, einem Local Area Network (LAN), einem WI-FI-Netzwerk, einem WI-MAX-Netzwerk, einem Mobilfunksystem (z.B. 4G, 5G oder 6G) und/oder zumindest einem Teil des Internets. Die Kommunikationsschnittstelle 22 kann hierüber insbesondere die auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten an eine Auswerteeinheit weiterleiten. Dabei kann die Kommunikationsschnittstelle 22 auch eine direkte und/oder feste Verbindung zu der Auswerteeinheit, zum Beispiel ein PC, bereitstellen.The communication interface 22 enables the control unit 7 to communicate with a network, e.g. with an ad hoc network, a wireless personal area network ((W)PAN), e.g. a Bluetooth WPAN, a local area network (LAN), a WI-FI network, a WI-MAX network, a mobile radio system (e.g. 4G, 5G or 6G) and/or at least part of the Internet. The communication interface 22 can use this to forward the data based on the input signal/output signal to an evaluation unit. The communication interface 22 can also provide a direct and/or fixed connection to the evaluation unit, for example a PC.

Der Stromanschluss 23 kann an einer dedizierten Anschlussstelle an einem Gehäuse des Steuergeräts 7 angeordnet sein. Der Stromanschluss 23 kann eine zentrale Stromversorgungsstelle für die Komponenten des Steuergeräts 7 (aber auch des Leistungselektronikmoduls 2) darstellen und verbindet das Steuergerät 7 bzw. dessen Komponenten, vorzugsweise die Hauptstromversorgung 24, mit einer externen Stromquelle (außerhalb des Steuergeräts 7). Im Falle einer integrierten Hauptstromversorgung 24 kann auch der Stromanschluss 23 ein integrierter Bestandteil des Steuergeräts 7 oder der Hauptstromversorgung 24 sein.The power connection 23 can be arranged at a dedicated connection point on a housing of the control unit 7. The power connection 23 can represent a central power supply point for the components of the control unit 7 (but also of the power electronics module 2) and connects the control unit 7 or its components, preferably the main power supply 24, to an external power source (outside the control unit 7). In the case of an integrated main power supply 24, the power connection 23 can also be an integrated part of the control unit 7 or the main power supply 24.

Die Hauptstromversorgung 24 versorgt mindestens eine oder mehrere der Komponenten des Steuergeräts 7 mit elektrischer Leistung, z.B. via dem Bus 20. Insbesondere lädt die Hauptstromversorgung 24 die Hilfsstromversorgung 25 mit elektrischer Leistung, zum Beispiel von außerhalb des Steuergeräts 7 auf, z.B. im Falle dessen, dass die Hauptstromversorgung 24 an die Stromquelle außerhalb des Steuergeräts 7 angeschlossen ist. Hierbei kann die Hauptstromversorgung 24 eine bevorzugte für die Stromversorgung der Komponenten des Steuergeräts 7 benutzte Komponente darstellen und zum Beispiel ein Akkumulator oder eine Batterie aufweisen. Die Hauptstromversorgung 24 kann weitere Komponenten wie Spannungsregler, DC-Spannungsstabilisierer, Längsregler, Buck-Konverter und/oder Boost-Konverter aufweisen, um die entsprechenden Anforderungen der Komponenten des Steuergeräts 7 zu erfüllen. Hierbei kann der Stromanschluss 23 entweder über eine dedizierte feste Stromversorgungsverbindung mit der externen Stromquelle, wie ein Energienetz, oder eine lösbare Stromversorgungsverbindung zur Aufladung des Akkumulators oder der Batterie der Hauptstromversorgung 24 verfügen. Zu diesem Zweck kann die Hauptstromversorgung 24 über einen Wechselrichter verfügen, um eine vorgegebene Gleichstromversorgung aus einer über den Stromanschluss 23 angeschlossenen Wechselstromquelle als die externe Stromquelle bereitzustellen. Die vorgegebene Gleichstromversorgung kann auch bereits von einer über den Stromanschluss 23 angeschlossenen Gleichstromquelle als die externe Stromquelle bereitgestellt werden. Die Gleichstromversorgung kann über die oben genannten Spannungsregler geregelt und an die Komponenten des Steuergeräts 7 als eingestellte Gleichstromversorgungen geliefert werden.The main power supply 24 supplies at least one or more of the components of the control unit 7 with electrical power, e.g. via the bus 20. In particular, the main power supply 24 charges the auxiliary power supply 25 with electrical power, e.g. from outside the control unit 7, e.g. in case the main power supply 24 is connected to the power source outside is connected to the main power supply 24. The main power supply 24 can represent a preferred component used to supply power to the components of the control unit 7 and can comprise, for example, an accumulator or a battery. The main power supply 24 can comprise further components such as voltage regulators, DC voltage stabilizers, series regulators, buck converters and/or boost converters in order to meet the corresponding requirements of the components of the control unit 7. The power connection 23 can either have a dedicated fixed power supply connection to the external power source, such as a power grid, or a detachable power supply connection for charging the accumulator or the battery of the main power supply 24. For this purpose, the main power supply 24 can have an inverter in order to provide a predetermined direct current supply from an alternating current source connected via the power connection 23 as the external power source. The predetermined direct current supply can also already be provided by a direct current source connected via the power connection 23 as the external power source. The DC power supply can be regulated by the voltage regulators mentioned above and supplied to the components of the control unit 7 as adjusted DC power supplies.

Die Hilfsstromversorgung 25 ist über den Bus 20 mit dem flüchtigen Speicher 16 und/oder dem Dauerspeicher 17 verbunden. Die Hilfsstromversorgung 25 wird durch die elektrische Leistung der Hauptstromversorgung 24 aufgeladen. Die Hilfsstromversorgung 25 kann innerhalb oder außerhalb des Steuergeräts 7, oder innerhalb oder außerhalb des flüchtigen Speichers 16 und/oder des Dauerspeichers 17 angeordnet sein. Beispielsweise kann die Hilfsstromversorgung 25 auf einer Hauptplatine des Steuergeräts 7 untergebracht sein, um den flüchtigen Speicher 16 und/oder den Dauerspeicher 17 mit einer Hilfsleistung zu versorgen. Die Hilfsstromversorgung 25 kann insbesondere in Form eines Superkondensators, eines Akkumulators und/oder einer Batterie ausgeführt sein. Die Leistungskapazität/Energiekapazität der Hauptstromversorgung 24 kann um ein Vielfaches, zum Beispiel mindestens 10-Mal oder 50-Mal größer sein als die Leistungskapazität/Energiekapazität der Hilfsstromversorgung 25.The auxiliary power supply 25 is connected to the volatile memory 16 and/or the permanent memory 17 via the bus 20. The auxiliary power supply 25 is charged by the electrical power of the main power supply 24. The auxiliary power supply 25 can be arranged inside or outside the control unit 7, or inside or outside the volatile memory 16 and/or the permanent memory 17. For example, the auxiliary power supply 25 can be accommodated on a main board of the control unit 7 in order to supply the volatile memory 16 and/or the permanent memory 17 with an auxiliary power. The auxiliary power supply 25 can in particular be designed in the form of a supercapacitor, an accumulator and/or a battery. The power capacity/energy capacity of the main power supply 24 can be many times, for example at least 10 times or 50 times greater than the power capacity/energy capacity of the auxiliary power supply 25.

Der Prozessor 15 überwacht Änderungen der von der Hauptstromversorgung 24 gelieferten elektrischen Leistung. Im Falle eines plötzlichen Stromausfalls, z.B. wenn die Stromquelle außerhalb des Steuergeräts 7 von der Hauptstromversorgung 24 getrennt wird oder die Hauptstromversorgung 24 aus einem anderen Grund nachlässt oder ausfällt, und der Prozessor 15 bestimmt, dass die von der Hauptstromversorgung 24 an eine oder mehrere der Komponenten des Steuergeräts 7 gelieferte elektrische Leistung unter einen Schwellenwert, z.B. 0,8 oder 0,75 einer Betriebsleistung der Hauptstromversorgung 24, gefallen ist, veranlasst der Prozessor 15 die Hilfsstromversorgung 25, eine verbleibende Versorgungsleistung für einen Abschaltvorgang des Steuergeräts 7 zu übernehmen. Der Abschaltvorgang umfasst die Leistungsversorgung zumindest des Prozessors 15, des flüchtigen Speichers 16 und/oder des Dauerspeichers 17 mit elektrischer Leistung für die Zeit des Abschaltvorgangs. Während des Abschaltvorgangs werden die auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten, die sich derzeit im flüchtigen Speicher 16 befinden, und/oder die auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten, die derzeit im Prozessor 15 verarbeitet werden, beispielsweise im Register/Cache des Prozessors 15, aus dem flüchtigen Speicher 16 und/oder dem Prozessor 15 in einen Metabereich des Dauerspeichers 17 übertragen. Hierfür kann der Metabereich des Dauerspeichers 17 extra für den Abschaltvorgang vorgehalten werden.The processor 15 monitors changes in the electrical power supplied by the main power supply 24. In the event of a sudden power failure, e.g. if the power source external to the controller 7 is disconnected from the main power supply 24 or the main power supply 24 otherwise degrades or fails, and the processor 15 determines that the electrical power supplied by the main power supply 24 to one or more of the components of the controller 7 has fallen below a threshold, e.g. 0.8 or 0.75 of an operating power of the main power supply 24, the processor 15 causes the auxiliary power supply 25 to take over a remaining supply power for a shutdown of the controller 7. The shutdown process includes supplying at least the processor 15, the volatile memory 16 and/or the persistent memory 17 with electrical power for the time of the shutdown process. During the shutdown process, the data based on the input signal/output signal that is currently located in the volatile memory 16 and/or the data based on the input signal/output signal that is currently being processed in the processor 15, for example in the register/cache of the processor 15, are transferred from the volatile memory 16 and/or the processor 15 to a meta area of the permanent memory 17. For this purpose, the meta area of the permanent memory 17 can be reserved specifically for the shutdown process.

Der Prozessor 15 lädt, im Falle eines Startvorgangs des Steuergeräts 7, bei dem die Hauptstromversorgung 24 wieder die Betriebsleistung bereitstellt, die auf dem Eingangssignal/Ausgangssignal basierenden Daten aus dem Metabereich des Dauerspeichers 17, um eine schnellere Datenverarbeitung zu ermöglichen. Nach dem Startvorgang kann der Metabereich des Dauerspeichers oder sukzessive während des Startvorgangs freigegeben werden.In the event of a start-up process of the control unit 7 in which the main power supply 24 again provides the operating power, the processor 15 loads the data based on the input signal/output signal from the meta area of the permanent memory 17 in order to enable faster data processing. The meta area of the permanent memory can be released after the start-up process or successively during the start-up process.

4 zeigt ein regelungstechnisches Blockschaltbild zur Degradationsdiagnose. Das Blockdiagramm veranschaulicht das hierin vorgestellte Verfahren. Um die Degradation des Leistungselektronikmoduls 2 zu diagnostizieren, werden die periodischen Leitungsverluste in dem Halbleiterbauelement angeregt. Diese Leitungsverluste lassen sich im Beispiel des MOSFETs durch Ploss = vds * ids = RDS,on(vGS, Tj) * ids 2 berechnen, wobei vds die Durchlassspannung (Drain-Source Spannung), RDS,on der Einschaltwiderstand und ids der Drain-Source Strom des MOSFET ist. Um periodische Leitungsverluste innerhalb der Vorrichtung zu erzeugen, wird der Einschaltwiderstand RDS,on im Ein-Zustand manipuliert. Der Einschaltwiderstand RDS,on eines MOSFETs ist abhängig von der Gate-Source Spannung vGS und der Sperrschichttemperatur Tj. Die Modulation des Einschaltwiderstands RDS,on kann also durch die Überlagerung der Gate-Source Gleichspannung V0 mit einer sinusförmigen Gate-Source Wechselspannung vac erreicht werden. 4 shows a control engineering block diagram for degradation diagnosis. The block diagram illustrates the method presented here. In order to diagnose the degradation of the power electronics module 2, the periodic conduction losses in the semiconductor component are stimulated. In the example of the MOSFET, these conduction losses can be calculated by P loss = v ds * i ds = R DS,on (v GS , T j ) * i ds 2 , where v ds is the forward voltage (drain-source voltage), R DS,on is the on-resistance and i ds is the drain-source current of the MOSFET. In order to generate periodic conduction losses within the device, the on-resistance R DS,on is manipulated in the on state. The on-resistance R DS,on of a MOSFET depends on the gate-source voltage v GS and the junction temperature T j . The modulation of the on-resistance R DS,on can therefore be achieved by superimposing the gate-source direct voltage V 0 with a sinusoidal gate-source alternating voltage v ac .

Diese periodische Anregung des Einschaltwiderstands RDS,on führt zu einer periodischen Kleinsignalmodulation der Leitungsverluste Pcond sowie der Drain-Source Spannung vds, die beide eine konstante Phasenverzögerung von 180° in Bezug auf vGS für niedrige Frequenzen aufweisen. Die thermische Impedanz Ztn(jω), die in 4 vereinfacht als thermischer Widerstand Rth und als thermische Kapazität Cth dargestellt ist, beschreibt, wie die Sperrschichttemperatur Tj auf die periodische Verlustanregung in Größe und Phase reagiert. Zusätzlich zur Gate-Source Spannung vGS, die den Einschaltwiderstand RDS,on beeinflusst, verursacht die Sperrschichttemperatur Tj, die als Antwort auf die Verlustanregung auftritt, eine zusätzliche Phasenverschiebung in der Drain-Source Spannung vds. Folglich ändert sich die Phasenverschiebung der Drain-Source Spannung vds, wenn eine Degradation die Phase der thermischen Impedanz Zth(jω) beeinflusst, z.B. aufgrund von Änderungen des Gesamt-Rth. Daher zeigen Änderungen in der Phasenverschiebung zwischen Gate-Source Spannung vGS und Drain-Source Spannung vds Änderungen der Phase der thermischen Impedanz ∠Zth(jω) an, die auftreten, wenn sich die Eigenschaften des Pfades der thermischen Wärmeabfuhr aufgrund von Degradationsmodi oder Änderungen der Konvektionsbedingungen ändern. Daher ist das hierin vorgeschlagene Verfahren in der Lage, verschiedene Modi der Degradation separat zu erfassen, indem es auf die Phasenverzögerung bei verschiedenen Frequenzen abstellt, da die verschiedenen Degradationsmodi Spuren bei eindeutig zu bestimmenden Bandbreiten hinterlassen.This periodic excitation of the on-resistance R DS,on leads to a periodic small-signal modulation of the conduction losses P cond and the drain-source voltage v ds , both of which have a constant phase delay of 180° with respect to v GS for low frequencies. The thermal impedance Z tn (jω), which is 4 simplified as the thermal resistance R th and the thermal capacitance C th , describes how the junction temperature T j responds to the periodic loss excitation in magnitude and phase. In addition to the gate-source voltage v GS affecting the on-resistance R DS,on , the junction temperature T j occurring in response to the loss excitation causes an additional phase shift in the drain-source voltage v ds . Consequently, the phase shift of the drain-source voltage v ds changes when degradation affects the phase of the thermal impedance Z th (jω), e.g. due to changes in the total R th . Therefore, changes in the phase shift between gate-source voltage v GS and drain-source voltage v ds indicate changes in the phase of the thermal impedance ∠Z th (jω) that occur when the characteristics of the thermal heat dissipation path change due to degradation modes or changes in convection conditions. Therefore, the method proposed here is able to detect different modes of degradation separately by focusing on the phase delay at different frequencies, since the different degradation modes leave traces at clearly definable bandwidths.

5 zeigt zum besseren Verständnis des Verfahrens frequenzaufgelöste Phasendiagramme mit entsprechenden Phasengängen F1-F3. Hierbei unterscheiden sich die drei Phasengänge F1-F3 oben in 5 dadurch, dass kleine Veränderungen im thermischen Pfad unterhalb des Halbleiterbauelements 3 künstlich beigebracht wurden. In diesem Beispiel wurde die thermisch leitfähige Schicht zum Kühlkörper des Leistungselektronikmoduls 2 ein wenig F2 und ganz F3 weggenommen, um Degradationseffekte abzubilden. Solche Degradationseffekte unterhalb des Leistungselektronikmoduls 2 lassen sich an der Phase der thermischen Impedanz im Millihertz-Bereich erkennen. So eigenen sich dafür Frequenzen des Kleinsignals im Bereich von 1 mHz bis 5 Hz besonders. 5 shows frequency-resolved phase diagrams with corresponding phase responses F1-F3 for a better understanding of the process. The three phase responses F1-F3 above differ in 5 by artificially introducing small changes in the thermal path beneath the semiconductor component 3. In this example, the thermally conductive layer to the heat sink of the power electronics module 2 was removed by a little F2 and all of F3 in order to depict degradation effects. Such degradation effects beneath the power electronics module 2 can be recognized by the phase of the thermal impedance in the millihertz range. Small signal frequencies in the range of 1 mHz to 5 Hz are particularly suitable for this.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.At this point, it should be noted that all of the parts described above, viewed individually and in any combination, in particular the details shown in the drawings, are claimed as essential to the invention. Modifications to this are familiar to the person skilled in the art.

BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE SYMBOLS

11
Leistungselektronisches SystemPower electronic system
22
LeistungselektronikmodulPower electronics module
33
HalbleiterbauelementSemiconductor component
44
SteueranschlussControl connection
55
SenkenanschlussSink connection
66
QuellenanschlussSource connection
77
SteuergerätControl unit
88th
DACDAC
99
erster Instrumentenverstärkerfirst instrument amplifier
1010
erster Anti-Aliasing-Filterfirst anti-aliasing filter
1111
erster ADCfirst ADC
1212
zweiter Instrumentenverstärkersecond instrument amplifier
1313
zweiter Anti-Aliasing-Filtersecond anti-aliasing filter
1414
zweiter ADCsecond ADC
1515
Prozessorprocessor
1616
Flüchtiger SpeicherVolatile memory
1717
DauerspeicherPermanent storage
1818
ControllerController
1919
NVMNVM
2020
Busbus
2121
ArbiterArbitrator
2222
KommunikationsschnittstelleCommunication interface
2323
StromanschlussPower connection
2424
HauptstromversorgungMain power supply
2525
HilfsstromversorgungAuxiliary power supply
F1F1
Phasengang ohne DegradationPhase response without degradation
F2F2
Phasengang mit 1. Art DegradationPhase response with 1st type degradation
F3F3
Phasengang mit 2. Art DegradationPhase response with 2nd type degradation
V0V0
Gate-Source GleichspannungGate-source DC voltage
vacvac
Gate-Source WechselspannungGate-source alternating voltage
vGSvGS
Gate-Source SpannungGate-source voltage
RDS,onRDS,on
EinschaltwiderstandOn resistance
TjTj
SperrschichttemperaturJunction temperature
vdsvds
Drain-Source SpannungDrain-source voltage
idsids
Drain-Source StromDrain-Source Current
PcondPcond
LeistungsverlustePerformance losses
CthCth
thermische Kapazitätthermal capacity
RthRth
thermischer Widerstandthermal resistance

Claims (10)

Verfahren (S0) zur Degradationsdiagnose eines Leistungselektronikmoduls (2) mit einem Halbleiterbauelement (3), das Verfahren (S0) umfassend: Bereitstellen (S1) eines einen zum Einschalten des Halbleiterbauelements (3) vorgesehenen Großsignalteil (V0) enthaltendes Eingangssignals (vGS) des Leistungselektronikmoduls (2); Aufnehmen (S2) eines auf dem Eingangssignal (vGS) beruhenden Ausgangssignals (vds) des Leistungselektronikmoduls (2), um eine Degradationsdiagnose des Leistungselektronikmoduls (2) zu ermöglichen; dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal (vGS) einen sinusförmigen Kleinsignalteil (vAC) enthält.Method (S0) for degradation diagnosis of a power electronics module (2) with a semiconductor component (3), the method (S0) comprising: providing (S1) an input signal (v GS ) of the power electronics module (2) containing a large-signal part (V 0 ) provided for switching on the semiconductor component (3); receiving (S2) an output signal (v ds ) of the power electronics module (2) based on the input signal (v GS ) in order to enable a degradation diagnosis of the power electronics module (2); characterized in that the input signal (v GS ) contains a sinusoidal small-signal part (v AC ). Verfahren (S0) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sinusförmige Kleinsignalteil (vAC) ein Chirp ist, der durch zeitliches Verändern einer Frequenz des sinusförmigen Kleinsignalteils (vAC) bereitgestellt (S1) wird.Procedure (S0) according to Claim 1 , characterized in that the sinusoidal small-signal part (v AC ) is a chirp which is provided (S1) by temporally varying a frequency of the sinusoidal small-signal part (v AC ). Verfahren (S0) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Chirp einen Frequenzbereich zwischen 0,1mHz und 100Hz aufweist.Procedure (S0) according to Claim 2 , characterized in that the chirp has a frequency range between 0.1mHz and 100Hz. Verfahren (S0) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Großsignalteil (V0) des Eingangssignals (vGS) einen Einschaltzustand des Halbleiterbauelements (3) über die Zeitdauer des Chirps gewährleistet.Procedure (S0) according to Claim 3 , characterized in that the large signal part (V 0 ) of the input signal (v GS ) ensures an on state of the semiconductor component (3) over the duration of the chirp. Verfahren (S0) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bestimmen (S3) einer Degradation von einer oder mehreren mit dem Leistungselektronikmodul (2) zusammenhängenden Komponenten durch frequenzaufgelöstes Vergleichen einer Phase des Ausgangssignals (vds) mit einer Phase des Eingangssignals (vGS).Method (S0) according to one of the preceding claims, characterized in that determining (S3) a degradation of one or more components associated with the power electronics module (2) by frequency-resolved comparison of a phase of the output signal (v ds ) with a phase of the input signal (v GS ). Verfahren (S0) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Degradation der mehreren mit dem Leistungselektronikmodul (2) zusammenhängenden Komponenten durch Phasenunterschiede zwischen dem Ausgangssignal (vds) und dem Eingangssignal (vGS) in entsprechenden und mit den mehreren mit dem Leistungselektronikmodul (2) zusammenhängenden Komponenten assoziierbaren Frequenzteilbereichen bestimmt (S3) wird, und dass sich die Frequenzteilbereiche von Komponente zu Komponente der mit dem Leistungselektronikmodul (2) zusammenhängenden Komponenten unterscheiden.Procedure (S0) according to Claim 5 , characterized in that the degradation of the plurality of components associated with the power electronics module (2) is determined (S3) by phase differences between the output signal (v ds ) and the input signal (v GS ) in corresponding frequency sub-ranges that can be associated with the plurality of components associated with the power electronics module (2), and that the frequency sub-ranges differ from component to component of the components associated with the power electronics module (2). Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm Befehle umfasst, die, bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer oder durch ein Steuergerät (7), den Computer oder das Steuergerät (7) veranlassen, das Verfahren (S0) nach einem der vorhergehenden Ansprüche bzw. mindestens einen der Schritte davon auszuführen bzw. zu initiieren.Computer program, characterized in that the computer program comprises instructions which, when the computer program is executed by a computer or by a control device (7), cause the computer or the control device (7) to execute or initiate the method (S0) according to one of the preceding claims or at least one of the steps thereof. Datenträger (C42, C43, C45), dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Datenträger (C42, C43, C45) das Computerprogramm nach Anspruch 7 gespeichert ist.Data carrier (C42, C43, C45), characterized in that the data carrier (C42, C43, C45) contains the computer program according to Claim 7 is stored. Steuergerät (7) zur Degradationsdiagnose eines Leistungselektronikmoduls (2) mit einem Halbleiterbauelement (3), wobei das Steuergerät (7) ausgebildet ist: ein einen zum Einschalten des Halbleiterbauelements (3) vorgesehenen Großsignalteil (V0) enthaltendes Eingangssignal (vGS) des Leistungselektronikmoduls (2) bereitzustellen; ein auf dem Eingangssignal (vGS) beruhendes Ausgangssignal (vds) des Leistungselektronikmoduls (2) aufzunehmen, um eine Degradationsdiagnose des Leistungselektronikmoduls (2) zu ermöglichen; dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal (vGS) einen sinusförmigen Kleinsignalteil (vAC) enthält.Control unit (7) for degradation diagnosis of a power electronics module (2) with a semiconductor component (3), wherein the control unit (7) is designed: to provide an input signal (v GS ) of the power electronics module (2) containing a large-signal part (V 0 ) provided for switching on the semiconductor component (3); to receive an output signal (v ds ) of the power electronics module (2) based on the input signal (v GS ) in order to enable a degradation diagnosis of the power electronics module (2); characterized in that the input signal (v GS ) contains a sinusoidal small-signal part (v AC ). Leistungselektronikmodul (2) mit einem Halbleiterbauelement (3), wobei das Leistungselektronikmodul (2) ausgebildet ist, ein einen zum Einschalten des Halbleiterbauelements (3) vorgesehenen Großsignalteil (V0) enthaltendes Eingangssignal (vGS) des Leistungselektronikmoduls (2) entgegenzunehmen (S1); ein auf dem Eingangssignal (vGS) beruhendes Ausgangssignal (vds) des Leistungselektronikmoduls (2) zu übergeben (S2), um eine Degradationsdiagnose des Leistungselektronikmoduls (2) zu ermöglichen; dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal (vGS) einen sinusförmigen Kleinsignalteil (vAC) enthält.Power electronics module (2) with a semiconductor component (3), wherein the power electronics module (2) is designed to receive (S1) an input signal (v GS ) of the power electronics module (2) containing a large-signal part (V 0 ) provided for switching on the semiconductor component (3); to transfer (S2) an output signal (v ds ) of the power electronics module (2) based on the input signal (v GS ) in order to enable a degradation diagnosis of the power electronics module (2); characterized in that the input signal (v GS ) contains a sinusoidal small-signal part (v AC ).
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